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20m大视场空间大口径天文望远镜光学设计

2022-1-2 12:39| 发布者:optkt| 查看:803| 评论:0|原作者: 零光镜像

摘要:Discover the latest advances in space telescopes with the 20m diameter wide-field design. Explore the optical design, view of field, and wavelengths employed by the Hubble Space Telescope, James Webb Space Telescope, LUVOIR, EUCLID, and Roman Space Telesc

     詹姆斯韦伯JWST之后,国外还有一系列大口径的望远镜已经在规划中,将HST、JWST和未来发射的部分空间望远镜参数汇总在一起,如下表所示:



Space  telescopesLaunch yearDiameter(m)Field of viewWavelengthF-number
Hubble  Space Telescope(HST)19902.42.2×2.2 arcmin @Advanced Camera  for Surveys(ACS)0.3-1.1μm @ACS11
2.0×2.3  arcmin @Infrared Wide Field Camera 3(WFC3/IR)1.1-1.6μm @WFC3/IR26
James Webb Space Telescope(JWST)20216.574× 113 arcsec @Mid-Infrared  Instrument4.9-28.8μm  @MIRI20 @Main Telescope
2.2× 2.2  arcmin @Near Infrared Camera0.6  to 5.0 μm @NIRCam
2.2x 2.2  arcmin @Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph0.6-5.0 μm @NIRISS
3.4 × 3.6  arcmin @Near Infrared Spectrograph0.6–5.3 μm @NIRSpec
Large  Ultraviolet Optical Infrared Surveyor(LUVOIR)20301515×8 arcmin0.2-1um@ HDI UV/VIS Imaging20 @Main Telescope
1-2.5um@HDI NIR Imaging
EUCLID20221.20.5×0.5 degree550-900nm @VIS-
920-1850nm  @NISP
Roman  Space Telescope(formerly WFIRST)20252.360.281×0.281 degree1-1.93um @Wide Field  Instrument(WFI)7.8 @Main Telescope
575nm、660nm、730nm、825nm  @CoronaGraph Instrument(CGI)


1. LUVOIR-A

https://asd.gsfc.nasa.gov/luvoir/design/

https://asd.gsfc.nasa.gov/luvoir/resources/docs/LUVOIR_FinalReport_2019-08-26.pdf

LUVOIR实际上有两种架构,A为类似JWST的同轴三反,口径15米,B为离轴三反,口径8米。这里主要先看A。


LUVOIR-A折叠形式(比JWST多了一次(对称)打开过程)

LUVOIR OTE optical design

是不是发现和昨天发的JWST设计是一致的,没有错,LUVOIR就是放大版本的JWST,波段同时往UV拓展。


这里有一个小细节,关于温控的,因为JWST是工作在红外,因此需要40K的低温光学来降低背景提高探测灵敏度,而LUVOIR由于需要兼顾UV波段,从JWST的验证得到的温度需要控制在260K,非常有意思,否则会引起UV的透过率问题)


2. EUCLID



EUCLID艺术渲染图


EUCLID的光路概念图


3. Roman Space Telescope


Roman Space Telescope艺术渲染图

The CGI optical path in the Roman Observatory

 

CGI optical layout



一、背景

     不难从上述表格数据中发现,大多数大口径的望远镜,都具有较小的视场。在天文领域,分级的视场较为普遍,能达到1°及1°以上的都已经可以叫大视场了。实际上这是从需求(望远镜追求更高的角分辨率,需要更大的口径)出发的,此时若视场依然很大,光学的拉赫不变量就非常大,光学设计变得异常困难。


二、如何突破(更)大视场(同时)(更)大口径设计难题?

     有一种简单的方法就是增加光学镜片(自由度)来分担光焦度和提升像差优化能力。首先想到最简单的还是同轴反射系统,从原来的同轴三反增加至同轴四反。

     最简单的反射式望远镜起源是从2反开始递增,假定相同波长,可简单理解成只要D×FOV(1-D下)突破到某个值,就需要从2反切换至3反,再继续突破至某个值就需从3反切换至4反,...。注意,实际情况不同像差形式,如球差、彗差、像散等与口径、视场并非成线性关系,详细可查看像差理论公式。


三、同轴四反设计初步结果

     同轴四反,国外有部分设计借鉴,参考后,设计实现以下目标:

  • 口径:    20m

  • 视场:    

  • 波段:    0.5-5 µm (波长越短,设计难度越大,比如到200nm)

  • F/#:      3.9



20m口径-1°-同轴四反Optical Layout图


500nm下的点列图(全视场控制在CCD 12um pixel size)


尝试进一步压缩波段到紫外:    0.2-5 µm

200nm下的点列图(只有中心视场和边缘视场控制在1um pixel size)



参考文献

  1. “Mission Overview—Roman Space Telescope/NASA,” https://roman.gsfc.nasa.gov.

  2. Q. Gong et al., “Wide-Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) slitless spectrometer:design, prototype, and results,” Proc. SPIE 9904, 990412 (2016).

  3. Q. Gong et al., “Wide field slitless spectrometer design for WFIRST,” Proc. SPIE to be published (2020).    

  4. Content D et al. 2013 Wide-Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) 2.4-meter missionstudy. In UV/optical/IR space telescopes and instruments: innovative technologies and concepts VI(eds HA MacEwen, JB Breckinridge). Bellingham, WA: SPIE

  5. The LUVOIR Team. The LUVOIR Mission Concept Study Interim Report, p. 5. (https://arxiv.org/abs/1809.09668)

  6. ...

  7. ...

  8. ...

太多了,懒得列了。




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雷人

握手

鲜花

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