基于光线追迹的大口径天文望远镜快速装调方法研究

The misalignment of the telescope produced by installation, daily operation and maintenance could result in imaging quality decreased. In order to ensure the quality and efficiency of astronomical observations, must alignment the telescope as soon as possible. However, for large aperture telescope, most field observation station is lack of corresponding alignment equipment. At the same time, the condition of the field environment also has many restrictions on the common alignment method. So that the alignment was difficult and time-consuming. And astronomical observation time will be affected..In order to reduce the workload of telescope alignment and improve the alignment speed, this project will study on the rapid alignment method of the large aperture astronomical telescope based on ray trace. Firstly, determine the alignment required accuracy according to the analysis of the seeing of each domestic observation station and the imaging quality demand of astronomical observation. And then, study on the alignment method of the axisymmetric astronomical telescope based on ray trace. Thirdly, design and optimization of the fast alignment device of the telescope according to the theoretical analysis results. Finally, make quantitative analysis on the alignment process. The research results expected are that the alignment devices could be conveniently carried by one person, and the alignment work would be finished just by two or three persons in one day, and the imaging quality of the telescope after be aligned could achieve local seeing.

光学天文望远镜在安装、日常运行、维护中难免会产生各种失调量，从而造成成像质量下降。为了保证天文观测的质量和效率，必须及时对望远镜进行装调。但是，对于大口径天文望远镜，大多野外观测站缺少相应的装调设备。同时，野外环境条件对常见装调方法也有诸多限制。从而使装调变得困难且费时，这将直接影响天文观测时间。.为了有效减小天文望远镜装调的工作量，提高装调效率，本项目将基于光线追迹理论研究大口径天文望远镜快速装调的方法。通过分析国内各台址的视宁度及天文观测对成像质量的需求，确定装调需要达到的精度。进而基于光线追迹理论建立数学模型研究适用于轴对称天文望远镜的装调方法。然后，根据理论分析结果进行望远镜快速装调设备的设计和优化。最后进行装调过程的量化分析和研究。本研究的目标是制造出可以适用于轴对称天文望远镜的装调设备，只需2到3人便可携带整套设备在一天内完成装调工作，装调后成像质量达到当地视宁度。

项目执行过程中，项目组成员基于光线追迹对大口径天文望远镜的快速装调方法进行了研究，通过深入研究完成了装调理论分析、装调方法设计和装调工具研制等方面的工作。并在多台天文望远镜上进行了试验，成功完成了这些望远镜的光学装调工作。同时，利用本项目进行理论分析时的光线追迹计算模型，完成了圆顶随动控制量一般解的求解。并且成功应用于多台天文望远镜的圆顶控制中。在项目执行期间，项目主持人发表发明专利2篇，实用新型专利1篇。其中1篇专利已经获得授权。具体情况如下：.1．基于光线追迹理论结合使用ZEMAX进行仿真计算分析完成了光轴对准误差与光学系统像差之间的关系的分析与研究，给出了RC望远镜主镜（副镜）光轴倾斜误差和平移误差相互补偿的计算公式。并通过理论分析和实际装调测试，明确了光轴平移误差小于1mm内使用倾斜来补偿可以获得优良的光学质量。.2．利用光线追迹方法分析了离焦星点像与像散和彗差的对应关系，以及离焦星点像各形态与光学系统的失调量的关系。给出了光学系统遮拦和入瞳光阑位置对离焦星点像的影响。离焦星点像内外环同心度反应彗差，圆形度反应像散。对于轴对称光学系统，中心视场附近存在像散一般考虑是某个光学元器件受挤压引起。.3．研制了以像平面为基准的装调工具，并成功用于多台光学望远镜的装调工作。以像平面为基准的装调工具采用激光束标识光轴，利用旋转特性来提高光束与像平面垂直精度。采用通用接口便于与不同望远镜仪器终端的连接。装调工具与以前终端连接平移误差小于0.5mm即可，光束与像平面垂直度误差需要小于3′。.4．利用本项目进行理论分析时的光线追迹计算模型，完成了圆顶随动控制量一般解的求解。该成果可以实现圆顶内任意位置望远镜指向时圆顶随动控制量的解析求解。已经成功应用于MAO1m望远镜圆顶随动控制和北京师范大学60cm望远镜圆顶随动控制中。