季杭馨 胡中文 朱永田 許明明 戴松新 章華濤 湯 振 王晉峰

(1 中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 南京 210042)

(2 中國科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京天文光學(xué)技術(shù)研究所)南京 210042)

(3 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引言

天文學(xué)和天文儀器的發(fā)展是一個相互促進(jìn)的過程,天文學(xué)自身的發(fā)展不斷推動技術(shù)的創(chuàng)新,而每一項(xiàng)技術(shù)的突破又促進(jìn)天文觀測能力的提升.最近幾十年,天文學(xué)和天文儀器都取得了巨大的進(jìn)展,十幾架8–10 m級光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡和各類天文終端相繼建設(shè)完成并開始在下一代儀器的研發(fā)中運(yùn)用最新技術(shù)[1–4],但是隨著天文技術(shù)本身的不斷發(fā)展和天文觀測的深入,尤其是多個地基/空基巡天項(xiàng)目光譜后隨觀測的迫切需求,如: 大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡(LSST)[5]、詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)[6]等,天文學(xué)家希望建造更大口徑的望遠(yuǎn)鏡來探索宇宙奧秘和生命起源,世界上包括我國在內(nèi)的多個國家提出建造30 m級地面光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡的研究計(jì)劃,目前主要的國際合作項(xiàng)目包括: 美國的巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡(GMT)[7]、30 m望遠(yuǎn)鏡(TMT)[8]以及歐洲39 m極大望遠(yuǎn)鏡(ELT)[9].

寬視場多目標(biāo)光譜儀是8–10 m級望遠(yuǎn)鏡終端儀器中使用率最高的通用型儀器,這類儀器具備寬視場的同時兼顧了光譜覆蓋、中等分辨率和高通光效率的特點(diǎn),可有效地進(jìn)行天光背景扣除,適合開展暗弱天體的多目標(biāo)光譜觀測.為了更深入地研究第1代天體,理解第1代恒星、星系的形成和演化,揭秘宇宙再電離的完整過程,需要在多個巡天項(xiàng)目海量成像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行光譜后隨觀測,因此30 m級望遠(yuǎn)鏡都計(jì)劃配置寬視場多目標(biāo)光譜儀(MOS).

在未來的10 yr,很多關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展將對30 m級望遠(yuǎn)鏡MOS的研制產(chǎn)生巨大的影響[10].自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展將極大地解決地基望遠(yuǎn)鏡受大氣擾動的影響并提高望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率,如GLAO(Ground Layer Adaptive Optics)可改善視寧度對MOS的影響[11]; 汽車和航空航天工業(yè)新型超輕量化材料有可能作為新型鏡胚材料應(yīng)用于地基、空間望遠(yuǎn)鏡和科學(xué)儀器的研制,這將大幅度減輕儀器的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度; 大口徑高透過率玻璃材料工藝的發(fā)展,將極大地減輕MOS相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力,而大口徑非球面加工工藝和檢測技術(shù)的發(fā)展,將極大地提高光學(xué)器件的加工和制造能力[12]; 寬波段、高效率、長壽命反射膜[13]和透射膜的應(yīng)用[14]可以進(jìn)一步提高M(jìn)OS的通光效率、延長維護(hù)周期; 大口徑透射光柵[15]及其拼接技術(shù)的發(fā)展[12,16]將使得整個儀器非常緊湊,儀器的通光效率也會大大提高; 30 m級望遠(yuǎn)鏡MOS的體量非常龐大,一般隨望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形,主動柔性補(bǔ)償技術(shù)[17–19]的發(fā)展能夠有效補(bǔ)償因結(jié)構(gòu)變形引起的圖像漂移,確保儀器的性能穩(wěn)定; CCD拼接技術(shù)[20–22]、紅外探測器[23–25]和高速CCD[26]的發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)寬視場、近紅外和高時域天文的觀測,極大地拓展天文觀測能力.另外,光纖和光纖定位技術(shù)的發(fā)展,如PFS(Prime Focus Spectrograph)的Cobra[27],4MOST(4 metre Multi-Object Spectroscopic Telescope)的AESOP(Australian European Southern Observatory Positioner)[28]和TAIPAN(Transforming Astronomical Imaging-surveys through Polychromatic Analysis of Nebulae)的Starbugs[29],使MOS可搭載不同的光纖單元實(shí)現(xiàn)多種觀測模式并存,而且新的觀測策略可有效提高光纖MOS天空背景扣除精度[30],這也成為其越來越受天文學(xué)家歡迎的關(guān)鍵之一.

本文將對比不同類型MOS的特點(diǎn),以30 m級望遠(yuǎn)鏡的3臺MOS為例,介紹其在概念設(shè)計(jì)階段的總體方案和技術(shù)發(fā)展對設(shè)計(jì)思想的影響,它們包括GMT-GMACS(GMT Multi-object Astronomical and Cosmological Spectrograph)、TMT-WFOS(Wide-Field Optical Spectrograph)和ELT-MOSAIC(MOS for Astrophysics,IGM and Cosmology),通過分析評論它們的設(shè)計(jì)特點(diǎn),希望可作為國內(nèi)極大望遠(yuǎn)鏡中同類儀器研制的借鑒.

2 幾種MOS的比較

MOS按照天文儀器的發(fā)展主要有以下幾種類型[31]: 物棱鏡多目標(biāo)光譜儀、狹縫多目標(biāo)光譜儀、光纖多目標(biāo)光譜儀和積分視場光譜儀,其工作原理如圖1所示.

物棱鏡多目標(biāo)光譜儀一般由大視場望遠(yuǎn)鏡和一個小角度的棱鏡組成,棱鏡色散之后的星光經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡被照相底片或探測器接收.該類光譜儀一次可獲得有效視場內(nèi)所有目標(biāo)的光譜信息且系統(tǒng)光效率很高,但是受到大口徑棱鏡材料的限制,因此在早期的小口徑巡天望遠(yuǎn)鏡中應(yīng)用較多[32],而且儀器本身受視寧度影響較大,存在光譜重疊、分辨率相對較低、極限星等較亮和定標(biāo)精度較差等問題.

圖1 不同類型的多目標(biāo)光譜儀原理圖Fig.1 The schematic diagram of different multi-object spectrographs

狹縫多目標(biāo)光譜儀由焦面的狹縫面板和光譜儀組成,通常既可以成像也可以進(jìn)行光譜觀測,多目標(biāo)的數(shù)量與狹縫面板空間方向的長度、光譜分辨率和探測器大小等因素有關(guān),一般能夠同時獲得幾個到近百個目標(biāo)的光譜信息.狹縫多目標(biāo)光譜儀相比于物棱鏡光譜儀分辨率可以更高,極限星等受天空背景和光譜重疊的影響小,可觀測更暗的天體.但早期的狹縫多目標(biāo)光譜儀對不同天區(qū)的觀測需要更換不同狹縫面板且過程復(fù)雜[33],因此觀測效率很低,但是隨著狹縫面板快速制作和自動切換技術(shù)的逐漸成熟,該問題在8–10 m級望遠(yuǎn)鏡類似終端儀器的研制中得到極大的緩解.表1給出了8–10 m級望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)配備的狹縫多目標(biāo)光譜儀,除了DEIMOS[34]和IMACS[35]放置在耐焦平臺外,其他儀器基本都放置在卡焦,因此需要考慮儀器隨望遠(yuǎn)鏡運(yùn)動引起的結(jié)構(gòu)變形的影響[17]; 另外狹縫多目標(biāo)光譜儀以中低分辨率為主,視場相對不大,多目標(biāo)數(shù)量一般<100; 由于近紅外波段需要低溫制冷,狹縫面板的切換設(shè)計(jì)難度較大[36],因此狹縫多目標(biāo)光譜儀的波段范圍以近紫外-可見光為主,而且狹縫面板后期的運(yùn)維成本相對較高,需要根據(jù)觀測計(jì)劃進(jìn)行切換; 狹縫多目標(biāo)光譜儀的相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度也很大,主要原因是相機(jī)視場較大、可用的大口徑玻璃材料較少[37],一般由7–10個透鏡組成,其中有若干個非球面和大口徑CaF2鏡片[38].

光纖多目標(biāo)光譜儀由焦面的光纖系統(tǒng)和多臺長縫光譜儀組成,光纖系統(tǒng)一端接收望遠(yuǎn)鏡不同視場的星光,另一端沿著光譜儀的狹縫排列,光譜信息在探測器上的排布固定.相比于狹縫多目標(biāo)光譜儀,其探測器的利用率和視向速度測量精度更高,而且隨著光纖定位系統(tǒng)的發(fā)展和大視場巡天項(xiàng)目對于光譜后隨觀測的迫切需求,多個在建或已經(jīng)建成的望遠(yuǎn)鏡都將配備多目標(biāo)光纖光譜儀[39],我國自主建設(shè)完成的郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)更是實(shí)現(xiàn)了4000根光纖的光譜巡天[40].光纖多目標(biāo)光譜儀的視場可以很大,而每臺光譜儀的光纖數(shù)量與設(shè)計(jì)難度和成本相關(guān),一般其同時觀測的目標(biāo)數(shù)量可比狹縫多目標(biāo)光譜儀高一個數(shù)量級以上,但是目標(biāo)數(shù)量越多需要的光譜儀越多.另外,相比于狹縫光譜儀,光纖多目標(biāo)光譜儀工作波段以可見光為主,部分可以到近紅外1.8μm[41],這主要與光纖在紫外和近紅外的特性有關(guān); 光譜分辨率也以中低分辨率為主,相對于狹縫光譜儀可以略高; 光纖光譜儀最大的問題在于天空背景的扣除沒有狹縫光譜儀好,不過隨著新的觀測策略的實(shí)現(xiàn),定標(biāo)精度<1%可以滿足大部分的科學(xué)需求.

表1 8–10 m級望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)有MOS對比Table 1 Comparison of current MOS from the 8–10 m class telescopes

積分視場光譜儀由積分視場單元和光譜儀組成.積分視場單元可以將2維視場內(nèi)的展源目標(biāo)連續(xù)切割成若干單元,重新排列后進(jìn)入光譜儀器.積分視場光譜儀的多目標(biāo)可以理解為視場內(nèi)每個目標(biāo)利用積分視場單元接收,然后通過光譜儀記錄光譜信息和相應(yīng)的空間信息,如HET(Hobby Eberle Telescope)的VIRUS(Visible Integral-field Replicable Unit Spectrograph)[42]、VLT的近紅外多目標(biāo)積分視場光譜儀(KMOS)[43]和VIMOS[44]等.該類光譜儀是近年來應(yīng)用較多的一種,尤其是自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展可實(shí)現(xiàn)很高的空間分辨率,因此需要配套相應(yīng)的積分視場單元.

從幾種多目標(biāo)光譜儀的對比可以發(fā)現(xiàn),如何設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡的焦面接收單元和相應(yīng)的光譜儀是重點(diǎn),現(xiàn)有大望遠(yuǎn)鏡配置的多目標(biāo)光譜儀充分考慮了當(dāng)時相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和科學(xué)需求,而在即將到來的30 m級望遠(yuǎn)鏡時代,多目標(biāo)光譜儀的線性尺寸將進(jìn)一步擴(kuò)大,雖然各項(xiàng)天文技術(shù)日新月異趨于成熟,但每個類型的多目標(biāo)光譜儀都有內(nèi)在的優(yōu)缺點(diǎn),仍需充分進(jìn)行方案的論證和研制風(fēng)險評估.

3 30m級光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡MOS的研究現(xiàn)狀

3.1 GMT望遠(yuǎn)鏡的MOS—GMACS

GMACS是GMT望遠(yuǎn)鏡的首光儀器,可對暗弱天體的光學(xué)波段開展寬視場、多目標(biāo)、中等分辨率的光譜觀測.該儀器是一臺通用型的MOS,它的最主要目的是能夠快速對DES(Dark Energy Survey)和LSST進(jìn)行后隨精細(xì)光譜觀測.GMACS在2006年完成了可行性設(shè)計(jì)方案[45]; 2011年完成了初步的概念設(shè)計(jì)報告[46]; 2016年對概念設(shè)計(jì)的光學(xué)方案進(jìn)行了調(diào)整,完成了初步概念設(shè)計(jì)方案; 2017年開始了儀器更為詳細(xì)的設(shè)計(jì),目前處于概念設(shè)計(jì)的最終階段,預(yù)計(jì)2019年3月完成評審; GMACS計(jì)劃在2025年開始正式科學(xué)觀測[47].

GMT-MOS的主要設(shè)計(jì)要求如下[47]:

?視場: 30–50 arcmin2

?波長覆蓋: 0.32–1.0 μm

?光譜分辨率: 在0.7′′狹縫寬度下,紅、藍(lán)通道1000R6000

?儀器效率: 工作波段 40%

?成像質(zhì)量: 80%能量包絡(luò)0.15′′

?光譜穩(wěn)定性: 0.1–0.3分辨單元/h

?光柵數(shù)量: 2

?狹縫面板: 12

基于這些設(shè)計(jì)指標(biāo),放置在GMT卡焦端的GMACS已經(jīng)對多個設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對比和選擇.早期的GMACS方案是經(jīng)典的狹縫多目標(biāo)光譜儀[45],它將9′×18′的視場分割成4個離軸的4.5′×9′視場,每個視場分別對應(yīng)一個雙通道光譜儀.隨著光纖技術(shù)的發(fā)展,尤其是新型光纖定位系統(tǒng)Starbugs的日漸成熟,它將極大地提高多目標(biāo)數(shù)量和儀器視場,搭載不同的光纖、像切割器或積分視場單元可實(shí)現(xiàn)不同的觀測模式和分辨率,而且切換時間短.MANIFEST(MANy Instrument FibEr SysTem)[48]正是澳大利亞天文臺(AAO)為GMT設(shè)計(jì)的焦面光纖系統(tǒng),可以使得GMT的儀器具有更多功能和拓展性,如: 增大所有儀器的視場到20′; 提高多目標(biāo)數(shù)量; 根據(jù)科學(xué)目標(biāo)和未來自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展配備不同的IFU(Integral Field Unit); 利用像切割器可將儀器的分辨率提高3–8倍; 探測器在光譜和空間方向的利用率更為有效; 多個儀器可同時觀測; 同時也將光譜儀放置在穩(wěn)定平臺而避免隨望遠(yuǎn)鏡運(yùn)動的可能性等.

經(jīng)過權(quán)衡考慮,GMACS新的概念設(shè)計(jì)充分考慮了與MANIFEST的結(jié)合,一是舍棄分視場方案,增加焦面系統(tǒng)的切換空間; 二是提高光譜儀的設(shè)計(jì)要求,滿足與光纖相匹配的更細(xì)狹縫獲得更高的儀器分辨率[49].GMACS方案的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2.

表2 GMACS概念設(shè)計(jì)的主要參數(shù)Table 2 The main parameters of the conceptual design of GMACS

GMACS最大的特點(diǎn)是寬視場、寬波段、高效率和多分辨率模式,因此在考慮方案設(shè)計(jì)時將權(quán)衡現(xiàn)有玻璃材料的可行性、大口徑透鏡加工難度、高衍射效率光柵的工藝和項(xiàng)目成本限制等風(fēng)險.圖2是GMACS目前的設(shè)計(jì)方案[49]: 在GMT的焦面通過切換狹縫面板和MANIFEST的光纖狹縫面板實(shí)現(xiàn)多種觀測模式,其中狹縫面板對應(yīng)的視場約?7.4′,而光纖對應(yīng)的視場約?20′; 光譜儀本體利用分色鏡分成紅藍(lán)兩個通道,實(shí)現(xiàn)0.32–1.0μm的工作波段; 每個通道利用切換光柵或旋轉(zhuǎn)光柵和對應(yīng)相機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同的光譜分辨率和光譜覆蓋,當(dāng)然也可切換不同的狹縫面板實(shí)現(xiàn)更高的分辨率模式.

GMT望遠(yuǎn)鏡采用了格里高利系統(tǒng),最佳焦面是彎向準(zhǔn)直系統(tǒng)的球面,此時準(zhǔn)直系統(tǒng)采用透射式較為合適,而?7.4′視場的焦面約450 mm,能夠滿足工作波段的大口徑透鏡材料比較少,結(jié)合準(zhǔn)直鏡的設(shè)計(jì)難度、后續(xù)光柵與相機(jī)的口徑限制和光譜儀對分辨率的要求,GMACS選擇的準(zhǔn)直口徑為270 mm并分成紅藍(lán)兩個通道.為了分擔(dān)設(shè)計(jì)難度,兩個通道的準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)和相機(jī)獨(dú)立設(shè)計(jì).在準(zhǔn)直系統(tǒng)和相機(jī)的設(shè)計(jì)時,主要的設(shè)計(jì)約束在于可供應(yīng)的大口徑高透過率材料、透鏡和非球面數(shù)量,尤其是藍(lán)通道,可用的大口徑材料只有熔石英和CaF2.準(zhǔn)直系統(tǒng)共用口徑最大的場鏡,然后分別利用3個透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直并將望遠(yuǎn)鏡光瞳成像到光柵表面.相機(jī)系統(tǒng)是GMACS最大的設(shè)計(jì)難點(diǎn),具體表現(xiàn)在:(1)需要滿足光譜儀高性能像質(zhì)的需求;(2)相機(jī)系統(tǒng)要通過旋轉(zhuǎn)來匹配不同光柵,而旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜度并降低儀器的穩(wěn)定性;(3)相機(jī)系統(tǒng)作為主動補(bǔ)償器件需要對系統(tǒng)柔性變形引起的圖像漂移進(jìn)行矯正.可行性設(shè)計(jì)階段的相機(jī)系統(tǒng)[50]口徑約440 mm,接近或超過了部分材料的最大口徑,而且為了減少玻璃面-空氣面數(shù)量選擇了填充折射率匹配液的設(shè)計(jì)方案,風(fēng)險比較大; 新的相機(jī)系統(tǒng)充分考慮了研制風(fēng)險,將口徑減小到接近400 mm,也放棄了浸沒型相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路.色散系統(tǒng)采用高衍射效率的VPHG(Volume Phase Holographic Grating)光柵,通過切換不同的光柵實(shí)現(xiàn)不同分辨率模式,同時根據(jù)光柵本身閃耀效率輪廓[51]的特點(diǎn),利用同一塊光柵和帶通濾光片實(shí)現(xiàn)不同的波長覆蓋.因探測器尺寸較大,GMACS利用較為成熟的4 k×4 k芯片進(jìn)行拼接,但是在設(shè)計(jì)思路上,為了減小拼接縫隙嘗試開展樣機(jī)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)單側(cè)讀出.

圖2 GMACS概念設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 The schematic drawing of conceptual design about GMACS

3.2 TMT望遠(yuǎn)鏡的MOS—WFOS

WFOS是TMT望遠(yuǎn)鏡的首光儀器,也是TMT望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行前10 yr中最重要的科學(xué)儀器之一.WFOS是工作在視寧度限的成像光譜儀,同時具備未來應(yīng)用近地自適應(yīng)光學(xué)(GLAO)的潛力,它可在全光學(xué)波段對暗弱天體進(jìn)行成像和中低分辨率光譜觀測.

WFOS是極具挑戰(zhàn)的一臺儀器,從2005年開始可行性設(shè)計(jì)[52],通過前期努力對幾個方案進(jìn)行了對比,選擇了MOBIE(Multi-Object Broadband Imaging Echellette)作為概念設(shè)計(jì)的模型方案[53],并于2008年開始MOBIE方案的概念設(shè)計(jì),經(jīng)過多個階段的研究后發(fā)現(xiàn)MOBIE方案存在多個方面的研制風(fēng)險.2017年,WFOS提出兩個新的概念設(shè)計(jì)方案并分別對其進(jìn)行技術(shù)、風(fēng)險和成本的論證.目前,WFOS已經(jīng)完成兩個方案的最終選擇,即將在2019年啟動WFOS新概念設(shè)計(jì)的第2階段,該階段將著重對基于X-change的MOS方案進(jìn)行更為細(xì)致的設(shè)計(jì).預(yù)計(jì)2020年完成WFOS的概念設(shè)計(jì),2025年完成詳細(xì)設(shè)計(jì),2029年實(shí)現(xiàn)WFOS的科學(xué)觀測.

TMT-MOS的主要設(shè)計(jì)要求如下:

?視場: 25 arcmin2(目標(biāo): 40.5 arcmin2)

?波長覆蓋: 310–1000 nm

?光譜分辨率: 在0.75′′狹縫寬度下,1000–5000

?狹縫長度: 500′′

?光譜空間采樣: 0.15′′/pixel

?儀器效率: 工作波段 30%

?光譜穩(wěn)定性: 0.15′′

WFOS安裝在TMT耐焦平臺,整個儀器將繞水平軸轉(zhuǎn)動以消除視場旋轉(zhuǎn)引起的像旋,因此WFOS與GMACS類似將受到由于重力方向改變或溫度變化引起的結(jié)構(gòu)變形.早期MOBIE方案正是由于主動補(bǔ)償系統(tǒng)的失效而嘗試通過改變階梯光柵和棱鏡的工作角度來獲得更好的效果,但是重新優(yōu)化后的色散系統(tǒng)使得相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度提高,相機(jī)系統(tǒng)的口徑非常大,現(xiàn)有的玻璃材料導(dǎo)致相機(jī)產(chǎn)生很大的漸暈,研制風(fēng)險極大.因此,WFOS提出了多種新方案,經(jīng)過近2 yr的進(jìn)一步研究和對比,最終選擇了基于X-change的WFOS方案而放棄了基于光纖的MOS方案,主要依據(jù)在于該方案可滿足更多的科學(xué)需求和具有未來拓展性,而且整體尺寸和成本可控.WFOS的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表3.

表3 WFOS概念設(shè)計(jì)的主要參數(shù)Table 3 The main parameters of the conceptual design of WFOS

基于X-change的WFOS方案由加州理工學(xué)院(CIT)的Jason Fucik參照KCWI(Keck Cosmic Web Imager)設(shè)計(jì)提出,如圖3所示,屬于狹縫多目標(biāo)光譜儀,設(shè)計(jì)思路與GMACS設(shè)計(jì)思路類似,主要通過切換平面鏡和光柵實(shí)現(xiàn)不同的觀測模式,其中低分辨模式可以一次曝光覆蓋整個工作波段,而中高分辨率模式需要多次曝光并同時旋轉(zhuǎn)光柵和相機(jī)系統(tǒng).TMT望遠(yuǎn)鏡采用了改進(jìn)型卡塞格林系統(tǒng),最佳焦面是彎向望遠(yuǎn)鏡的球面,此時準(zhǔn)直系統(tǒng)選用反射式最為合適.WFOS利用分色鏡將光譜儀分成兩個通道,準(zhǔn)直系統(tǒng)由共用的離軸非球面鏡和分通道優(yōu)化的一組球面改正鏡組成.離軸非球面鏡尺寸非常大,需要輕量化設(shè)計(jì),而且由于作為主動補(bǔ)償器件需要兩維傾斜和離焦調(diào)整,因此準(zhǔn)直系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求很高.WFOS也考慮利用TMT的軸上視場,采用三反鏡作為準(zhǔn)直系統(tǒng),該設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢在于像質(zhì)更好,整體儀器包絡(luò)更小,但是準(zhǔn)直系統(tǒng)本身的成本有所增加,而且由于環(huán)柱面鏡存在加工風(fēng)險,需要對兩個方案進(jìn)行更深入的評估.在色散系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上,為了減小結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度和增加儀器穩(wěn)定性,WFOS還將考慮雙VPHG光柵[54]或者光柵與棱鏡組合方案[55],這樣的設(shè)計(jì)可使得相機(jī)系統(tǒng)不需要旋轉(zhuǎn),但是增加元器件會增加效率損失,因此需要更深入的權(quán)衡分析.WFOS的工作波段比GMACS更寬,而VPHG光柵在紫外波段效率相對較低,因此在方案設(shè)計(jì)時也考慮采用近年來發(fā)展迅速的熔石英刻蝕光柵(FSE)[56],但是該光柵現(xiàn)有工藝最大口徑約270 mm,而WFOS準(zhǔn)直口徑在300 mm,存在一定的風(fēng)險,需要在概念設(shè)計(jì)階段提前開展大口徑光柵試制.WFOS的相機(jī)系統(tǒng)視場和光瞳口徑比GMACS更大,在設(shè)計(jì)難度上非常大,但是基本設(shè)計(jì)思路與GMACS類似,在充分考慮像質(zhì)要求、材料限制和加工難度的原則下,分別對紅藍(lán)通道的相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)并開展了相應(yīng)的加工工藝評估.WFOS的探測器也是拼接CCD,為了使每個通道的效率最大化,WFOS在考慮商業(yè)化芯片的同時也嘗試對分波段效率優(yōu)化的探測器進(jìn)行了工藝評估.

圖3 基于X-change設(shè)計(jì)方案的光譜和直接成像光路圖Fig.3 The optical layout of X-change design with spectrograph and direct imaging mode

3.3 ELT望遠(yuǎn)鏡的MOS—MOSAIC

ELT的首光儀器包含可見光/近紅外積分視場光譜儀(HARMONI)、近紅外自適應(yīng)校正成像儀(MICADO)和中紅外成像光譜儀(METIS).MOSAIC雖然不是ELT的首光儀器,但是隨著更暗天體成像巡天時代JWST和Euclid的到來,眾多科學(xué)案例都需要高靈敏度和高空間分辨率的寬視場多目標(biāo)光譜儀進(jìn)行后隨光譜觀測來認(rèn)證和測量天體物理參數(shù)[57],因此MOSAIC在設(shè)計(jì)時就考慮利用ELT的大口徑和自適應(yīng)光學(xué)帶來的高空間分辨率的優(yōu)勢.ELT從2007年開始征集終端儀器方案,2010年完成多個儀器的Phase A階段的可行性設(shè)計(jì),其中包含3個寬視場多目標(biāo)光譜儀方案: 自適應(yīng)多積分視場單元近紅外光譜儀(EAGLE)、寬視場成像和中低分辨率狹縫光譜儀(OPTIMOS-DIORMAS)和可見光/近紅外光纖多目標(biāo)光譜儀(OPTIMOS-EVE).2015年完成MOSAIC的科學(xué)白皮書并開始征集MOS新的概念設(shè)計(jì)方案.2016年MOSAIC獲得了新一輪Phasa A階段的資助,并將3個寬視場多目標(biāo)光譜儀方案集成在一起,主要目的是使MOSAIC成為21世紀(jì)20年代最具競爭力的一臺寬視場多目標(biāo)光譜儀.MOSAIC在2018年3月完成Phase A階段的評審,預(yù)計(jì)2019年進(jìn)入初步設(shè)計(jì)階段Phase B,2029年完成安裝測試并開始觀測[58].

MOSAIC最大的特點(diǎn)是兼顧了多目標(biāo)和近紅外波段高空間分辨率的觀測需求,屬于光纖多目標(biāo)光譜儀.MOSAIC在可見光波段雖然也考慮了GLAO可能帶來的優(yōu)勢,但是在短波實(shí)現(xiàn)整個科學(xué)視場?7.4′的自適應(yīng)光學(xué)還是非常困難的,因此主要按照視寧度限和衍射限兩種模式進(jìn)行設(shè)計(jì),其中多目標(biāo)模式(High Multiplex Mode,HMM)和星際介質(zhì)模式(Inter-Galactic Medium Mode,IGMM)工作在視寧度限,而多功能積分視場模式(High Definition Mode,HDM)工作在MOAO(Multi Object Adaptive Optics).MOSAIC幾種工作模式的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表4[58].

表4 MOSAIC不同模式的指標(biāo)要求Table 4 The specification requirements of MOSAIC with different modes

MOSAIC放置在ELT的耐焦平臺,為了實(shí)現(xiàn)主要的科學(xué)需求,MOSAIC在設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)的光纖光譜儀不同,它利用微透鏡光纖陣列或可自適應(yīng)調(diào)整的中繼光學(xué)系統(tǒng)ORM(Optical Relay Module)實(shí)現(xiàn)不同模式的切換,然后各工作模式的光纖模塊按照工作波段進(jìn)入各自的狹縫光譜儀獲得相應(yīng)的光譜信息.WFOS為了消除視場旋轉(zhuǎn)的影響需要旋轉(zhuǎn)整個儀器,而MOSAIC只有焦面系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn),光譜儀本身放置在固定的平臺.MOSAIC的焦面系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)不同的觀測模式,在設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜,各功能模塊如圖4所示[59],在科學(xué)視場內(nèi),MOSAIC分布著兩類擺臂單元“Type A”和“Type B”; 科學(xué)視場四周有4組激光導(dǎo)引星系統(tǒng)(LGS); 最外圈按照正八邊形放置了24組ORM模塊.擺臂單元“Type A”搭載一個可調(diào)焦的微透鏡光纖束單元,可實(shí)現(xiàn)1′視場內(nèi)的目標(biāo)搜尋并導(dǎo)向HMM-VIS; “Type B”搭載一個HMM-VIS微透鏡光纖束單元、一對HMM-NIR微透鏡光纖束單元和一個可多自由度調(diào)整的轉(zhuǎn)向平面鏡,其中轉(zhuǎn)向平面鏡可分別導(dǎo)向HDM、IGMM或自然導(dǎo)星(NGS)的ORM模塊,搭載的每個模塊通過切換系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)換.值得注意的是,擺臂單元中HMM模塊的搜尋視場大于轉(zhuǎn)向平面鏡的視場,MOSAIC也計(jì)劃在科學(xué)視場外放置僅搭載平面鏡的擺臂單元“Type C”用于導(dǎo)向NGS系統(tǒng)[60].

圖4 MOSAIC焦面單元和整個系統(tǒng)布局圖Fig.4 The layout of MOSAIC focal unit and whole system

MOSAIC焦面系統(tǒng)中比較有特色的一個模塊是ORM,主要包含: 傾斜鏡、光程補(bǔ)償鏡、成像鏡、折轉(zhuǎn)平面鏡或可變形鏡、微透鏡陣[59].ORM的主要作用是將望遠(yuǎn)鏡科學(xué)視場內(nèi)的目標(biāo)通過轉(zhuǎn)向平面鏡傳輸?shù)浇姑嫱鈬闹欣^光學(xué)系統(tǒng),由于焦面不同位置的目標(biāo)光程差不一致,需要光程補(bǔ)償鏡微調(diào)每個光瞳的位置到折轉(zhuǎn)平面鏡或可變形鏡,其中可變形鏡主要是為了實(shí)現(xiàn)HDM模式開環(huán)的自適應(yīng)校正,而折轉(zhuǎn)平面鏡符合IGMM在視寧度限的設(shè)計(jì)需求.

MOSAIC光譜儀的配置如圖5所示[58],HDM和HMM-NIR兩種工作模式最后都進(jìn)入同一個近紅外光譜儀,而IGMM和HMM-VIS進(jìn)入可見光光譜儀.每個波段的光譜儀各有5臺,每臺光譜儀中HDM和IGMM各由2組積分視場單元(IFUs)組成,每組IFUs根據(jù)空間分辨率的需求配備不同的光纖束單元; 而HMM的兩個工作波段均由40組光纖微透鏡陣組成,每組由190根光纖組成,光纖芯徑同樣根據(jù)觀測需求進(jìn)行配置.

MOSAIC光譜儀本體的設(shè)計(jì)思路: 通過光柵和相機(jī)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)不同分辨率.基于目前的概念設(shè)計(jì)[60],MOSAIC光學(xué)波段光譜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與WFOS類似,準(zhǔn)直系統(tǒng)由離軸非球面和兩個改正鏡組成,中分辨率模式通過切換3塊光柵實(shí)現(xiàn)不同的工作波長覆蓋,高分辨率模式通過2塊光柵實(shí)現(xiàn)不同的工作波長覆蓋; MOSAIC近紅外波段的光譜儀設(shè)計(jì)比較有特點(diǎn),為了減小旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的尺寸,不同分辨率模式的切換只需要光柵切換而不需要相機(jī)旋轉(zhuǎn),但是需要2套準(zhǔn)直系統(tǒng).MOSAIC在相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上與GMACS和WFOS類似,但是為了減少相機(jī)系統(tǒng)的透鏡數(shù)量來提高儀器效率,MOSAIC也開展了彎曲探測器芯片的工藝調(diào)研.

圖5 MOSAIC各子系統(tǒng)的組成.其中,H4RG是Teledyne公司的4 k近紅外探測器,e2v6k是e2v公司的6 k CCDFig.5 The subsystem of the MOSAIC.H4RG is the 4 k near infrared detector from Teledyne,and e2v6k is the 6 k CCD from e2v

4 MOS概念設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)的研究

2014年以中國科學(xué)院國家天文臺為代表的相關(guān)國內(nèi)單位參與了TMT首光儀器WFOS Mini-Study階段關(guān)鍵技術(shù)的研究.國家天文臺(NAOC)開展了數(shù)十億像元的大型CCD低噪聲控制電路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片的研制; 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所(CIOMP)對WFOS大口徑中階梯光柵的研制進(jìn)行了論證;上海光學(xué)精密機(jī)械研究所(SIOM)針對大口徑分色鏡的高精度面型控制進(jìn)行了研究; 上海交通大學(xué)(SJTU)和廈門大學(xué)(XMU)分別對WFOS大型光機(jī)系統(tǒng)和1.6 m口徑大氣色散校正系統(tǒng)進(jìn)行了可行性分析; 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(USTC)對WFOS多縫焦面板的全自動切換進(jìn)行了技術(shù)論證,后期也開展了新型光纖定位系統(tǒng)的研究; 南京天文光學(xué)技術(shù)研究所(NIAOT)針對WFOS的超大尺寸準(zhǔn)直鏡,開展了輕量化設(shè)計(jì)、主動柔性補(bǔ)償系統(tǒng)優(yōu)化和寬帶高效率紫外增強(qiáng)反射膜的研究,已經(jīng)先后完成4個階段的工作包,目前正承擔(dān)WFOS基于X-change方案第2階段的部分概念設(shè)計(jì)任務(wù).Mini-Study階段,國內(nèi)外的分工情況見表5.

準(zhǔn)直系統(tǒng)是WFOS的重要組成器件,其主要作用是將望遠(yuǎn)鏡的光進(jìn)行準(zhǔn)直,同時在光柵處形成一個清晰的光瞳像.WFOS整體繞著望遠(yuǎn)鏡光軸旋轉(zhuǎn),各個子系統(tǒng)將因?yàn)橹亓蜏囟茸兓鸬男巫冊斐蓤D像漂移,準(zhǔn)直系統(tǒng)的另一個作用是作為主動補(bǔ)償器件,提供2維傾斜調(diào)整和離焦調(diào)節(jié),而且準(zhǔn)直系統(tǒng)由WFOS紅藍(lán)兩個通道共用,因此需要在310–1100 nm全光學(xué)波段具有較高的反射率.因此準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要進(jìn)行多學(xué)科的優(yōu)化.

表5 TMT-WFOS在Mini-Study階段的任務(wù)分工情況Table 5 Task assignment during Mini-Study phase of TMT-WFOS

4.1 WFOS準(zhǔn)直鏡的輕量化設(shè)計(jì)

WFOS的準(zhǔn)直鏡是一個離軸拋物面鏡(長1600 mm,寬800 mm,離軸量600 mm),尺寸非常大,為了提高結(jié)構(gòu)支撐的可靠性,必須進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),保持一定的剛度使得面型滿足設(shè)計(jì)需求.南京天文光學(xué)技術(shù)研究所相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)在Mini-Study階段對不同玻璃材料進(jìn)行了對比,輕量化率均可達(dá)到70%,通過初步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,碳化硅材料鏡面面型峰谷值<60 nm,微晶材料鏡面面型峰谷值<155 nm[61],雖然碳化硅材料的剛性和面型結(jié)果較好,但是研制難度和成本相對微晶材料大.為了控制成本和研制風(fēng)險,在后續(xù)的研究中,該技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過多目標(biāo)遺傳算法對準(zhǔn)直鏡的輕量化結(jié)構(gòu)重新優(yōu)化,設(shè)計(jì)方案采用集成優(yōu)化分析法,將幾何建模、有限元分析、準(zhǔn)直鏡面型和輕量化率等邊界條件與遺傳算法有機(jī)結(jié)合,可根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)自動在參數(shù)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)尋找所有滿足條件的全局最優(yōu)解,大大提高了設(shè)計(jì)效率.最終獲得微晶材料下采用三角形輕量化孔的最優(yōu)解,優(yōu)化后的輕量化率保持70%不變,鏡面面型峰谷值降低至85 nm,而采用矩形孔的輕量化率75.3%,鏡面面型峰谷值<107 nm,通過進(jìn)一步分析,矩形輕量化方案輕量化率雖然更高,但是綜合性能上不如三角形方案[62].

4.2 WFOS準(zhǔn)直鏡的主動補(bǔ)償方法和樣機(jī)研制

WFOS準(zhǔn)直鏡的另一個主要功能是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)柔性變形的主動補(bǔ)償,補(bǔ)償之后的殘余漂移量一般需要小于1/10個分辨單元,具體精度與相關(guān)的設(shè)計(jì)有關(guān),WFOS需要實(shí)現(xiàn)<1像元的精度.為了實(shí)現(xiàn)大口徑準(zhǔn)直鏡的高精度主動補(bǔ)償,南京天文光學(xué)技術(shù)研究所的相關(guān)團(tuán)隊(duì)對這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,并獲得了國家自然科學(xué)青年基金、面上基金和天文臺站設(shè)備更新及重大儀器設(shè)備運(yùn)行專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的支持,分別對結(jié)構(gòu)變形的實(shí)時主動補(bǔ)償方法、利用主動光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)準(zhǔn)直和WFOS準(zhǔn)直系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開展了研究.

在主動補(bǔ)償算法的研究上,研究團(tuán)隊(duì)利用動態(tài)數(shù)據(jù)交換完成Python對光學(xué)設(shè)計(jì)軟件(ZEMAX)的控制,獲得各個器件的靈敏度矩陣; 然后利用隨機(jī)引入變形量或?qū)虢Y(jié)構(gòu)仿真的結(jié)果,通過選擇不同的主動補(bǔ)償器件,利用盆地跳躍(Basin Hopping)算法進(jìn)行全局最優(yōu)解搜索; 最后通過殘余漂移對主動補(bǔ)償算法的可行性進(jìn)行評估,同時根據(jù)評價結(jié)果對光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化.WFOS正是基于主動補(bǔ)償仿真結(jié)果對原有MOBIE方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)上的優(yōu)化,圖6利用準(zhǔn)直鏡和探測器實(shí)現(xiàn)了WFOS中分辨率模式下兩個工作通道的主動補(bǔ)償,補(bǔ)償前漂移量>20像元,經(jīng)過10次優(yōu)化之后的補(bǔ)償結(jié)果均滿足<1個像元的要求.

圖6 WFOS紅藍(lán)兩通道中分辨率模式補(bǔ)償前后圖像漂移情況.漂移線尺度進(jìn)行了1000倍的放大.左上角矩形框代表1個像元大小Fig.6 The image motion results before and after the compensation at the medium resolution mode of WFOS in each channel.The image motion zoomed in 1000 times.The rectangular box at the top left shows one pixel size

在柔性補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式上,相關(guān)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室搭建了一套縮小版的WFOS準(zhǔn)直鏡樣機(jī),重點(diǎn)對柔性結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試.柔性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最大的難點(diǎn),它不但需要一定的剛度來維持鏡面面型,還需要具有一定的柔性實(shí)現(xiàn)主動補(bǔ)償功能.經(jīng)過前期的相關(guān)研究,實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的柔性結(jié)構(gòu)采用了與ESI(Echellette Spectrograph and Imager)[63]類似的6桿結(jié)構(gòu),但在柔性材料的選擇有所不同,本樣機(jī)采用了彈簧鋼60Si2Mn,雖然在性能上不如鈦合金,但是成本可控,同時結(jié)合應(yīng)力測試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測功能,有利于設(shè)計(jì)模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行交叉對比.圖7是WFOS縮尺模型實(shí)驗(yàn)在線檢測鏡面面型的照片,整個桁架結(jié)構(gòu)放置在底座上,整體可繞著中心旋轉(zhuǎn),準(zhǔn)直鏡通過6個柔性桿固連在3個運(yùn)動電機(jī)上,通過電機(jī)的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直鏡的傾斜和調(diào)焦運(yùn)動.通過初步的樣機(jī)測試,柔性結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)難度極大,尤其是在整個設(shè)計(jì)和裝調(diào)工藝的可行性上遇到了不少工程問題,同時在線檢測方案的結(jié)果也發(fā)現(xiàn)雖然結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果非常好,但是實(shí)際的鏡面支撐由于所選擇的環(huán)氧膠殘余應(yīng)力較大而變差,后期應(yīng)結(jié)合實(shí)際工藝開展關(guān)鍵技術(shù)的研究.

圖7 WFOS實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測試照片F(xiàn)ig.7 The photo of WFOS porotype test

4.3 金增強(qiáng)型反射膜在WFOS中的應(yīng)用前景

WFOS在紫外波段的效率要求很高,紫外增強(qiáng)銀膜和寬帶介質(zhì)膜是目前應(yīng)用較多的兩種寬波段高效率反射膜.紫外增強(qiáng)銀膜由于高效率、長壽命且工藝發(fā)展較為成熟,在多個望遠(yuǎn)鏡和儀器中得到成功應(yīng)用[64]; 寬帶介質(zhì)膜相對于紫外增強(qiáng)銀膜在紫外波段具有更高的效率,但是由于膜系厚存在較大的應(yīng)力將導(dǎo)致反射鏡面形改變以及膜層表面龜裂,而且后期維護(hù)可能需要重新拋光,目前多應(yīng)用于部分小口徑的反射鏡中[65].

南京天文光學(xué)技術(shù)研究所很早就開始研究針對天文應(yīng)用的高效率反射膜.2015年率先提出并實(shí)施了金增強(qiáng)型反射膜的全新方案,2016年首次在實(shí)驗(yàn)室成功研制可工作在近紫外、可見光與近紅外的金增強(qiáng)型反射膜.該膜不但具有寬反射帶寬、高反射效率、較低的膜層應(yīng)力以及優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性,而且使用壽命媲美介質(zhì)膜反射鏡,非常適合于大型天文望遠(yuǎn)鏡與終端儀器的反射鏡面.2017年,金增強(qiáng)型反射膜第1次成功應(yīng)用于LAMOST光譜儀的準(zhǔn)直鏡,使得工作波段內(nèi)的平均反射率優(yōu)于98%,極大地提高了儀器的效率.該團(tuán)隊(duì)的核心成員,多年來一直參與WFOS準(zhǔn)直鏡高效率反射膜的概念設(shè)計(jì),并將金增強(qiáng)型反射膜拓展至紫外310 nm,理論設(shè)計(jì)曲線如圖8所示.可預(yù)見,寬帶寬、高效率、低應(yīng)力和長壽命的金增強(qiáng)型反射膜必將出現(xiàn)在中國大型望遠(yuǎn)鏡和同類終端儀器的研制中.

圖8 WFOS金增強(qiáng)型反射膜理論效率曲線Fig.8 The curve of UV enhanced gold coating for WFOS

4.4 WFOS基于光纖多目標(biāo)的概念設(shè)計(jì)

基于光纖多目標(biāo)(Fiber-WFOS)的設(shè)計(jì)是WFOS重點(diǎn)研究的方案,該方案最大的特點(diǎn)就是多目標(biāo)數(shù)量比X-change方案多一個數(shù)量級.Fiber-WFOS的每個目標(biāo)由一組光纖束接收,每臺光譜儀可排布約90個目標(biāo),因此需要多臺光譜儀實(shí)現(xiàn)共計(jì)700個目標(biāo).Fiber-WFOS每臺光譜儀的設(shè)計(jì)與LAMOST的低分辨率光譜儀類似,采用分通道設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)整個波段的高衍射效率和分辨率需求,而在具體方案的實(shí)現(xiàn)上需要進(jìn)行多個方案的對比和權(quán)衡.為了達(dá)到整體成本和風(fēng)險的可控性目標(biāo),需要將方案進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行詳細(xì)對比,本團(tuán)隊(duì)通過承擔(dān)WFOS的2個階段工作包,完成了以下幾個方面的工作:

(1)通過建立光纖芯徑、準(zhǔn)直口徑、多通道數(shù)量、探測器大小和相機(jī)系統(tǒng)焦比等關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系模型,求得最優(yōu)的參數(shù)組合;(2)完成分辨率R=3500和R=5000不同模式下3通道方案與4通道方案的設(shè)計(jì)和對比;(3)完成不同準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能對比,實(shí)現(xiàn)不同通道2種超快焦比F/1相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類型一般有折射式、折反射式和反射式3種[66].Fiber-WFOS為了實(shí)現(xiàn)焦比F/1的相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般只能選擇折反射式,該類相機(jī)系統(tǒng)視場較大、像質(zhì)優(yōu)良,但是探測器一般放置在光路中央存在遮擋,引起一定的漸暈.Fiber-WFOS設(shè)計(jì)原則的其中一條是滿足設(shè)計(jì)要求的前提下盡量控制成本,因此對兩種設(shè)計(jì)的各個方面進(jìn)行了綜合對比.兩種相機(jī)設(shè)計(jì),一種是基于Houghton式的相機(jī)系統(tǒng)“M-Camera”[67],如圖9(a)所示,由兩個改正鏡、反射鏡和場鏡組成; 另一種是Delabre[68]建議的應(yīng)用于MOONS(Multi-Object Optical and Near-infrared Spectrograph)的相機(jī)系統(tǒng)“W-Camera”,如圖9(b)所示,由改正鏡、反射鏡和場鏡組成.兩種相機(jī)的部分參數(shù)對比見表6,相機(jī)系統(tǒng)的準(zhǔn)直口徑300 mm,焦比F/1.兩種相機(jī)有各自的特點(diǎn),“W-Camera”相機(jī)系統(tǒng)本身的像質(zhì)很好,雖然反射鏡和透鏡的口徑略小,但是漸暈較大,不滿足WFOS 15%的要求,場鏡需要與改正鏡膠合,且探測器芯片需要放置在改正鏡中孔內(nèi)部,比較適合進(jìn)行整體制冷,另外紫外- 藍(lán)通道的透鏡材料需要選擇價格較高的CaF2; “M-Camera”像質(zhì)也非常好、漸暈較小,滿足WFOS 15%的要求,而且透鏡材料都是熔石英,透過率和價格都較低,但是反射鏡和透鏡口徑略大,也多了一塊透鏡.最終選擇哪個相機(jī)設(shè)計(jì)主要依據(jù)還是成本和風(fēng)險的控制.

圖9 Fiber-WFOS快焦比相機(jī)系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)示意圖.(a)“M-Camera”,(b)“W-Camera”Fig.9 The optical layout of fast focal ratio camera design in Fiber-WFOS.(a)“M-Camera”,(b)“W-Camera”

表6 兩種相機(jī)系統(tǒng)的主要參數(shù)對比Table 6 Main parameters comparison of the two camera design

5 總結(jié)和展望

30 m級望遠(yuǎn)鏡MOS的概念設(shè)計(jì)以技術(shù)發(fā)展較為成熟的狹縫多目標(biāo)光譜儀和光纖多目標(biāo)光譜儀為主,雖然具體方案的實(shí)現(xiàn)由于望遠(yuǎn)鏡和主要科學(xué)目標(biāo)的不同存在差異,但是寬波段、多分辨率模式和高通光效率是它們最大的特點(diǎn).因此3臺MOS在光譜儀本體的設(shè)計(jì)思路上大同小異,基本都分成兩個波段并通過切換光柵或旋轉(zhuǎn)光柵相機(jī)組合實(shí)現(xiàn)不同的分辨率模式,唯一的差別在于各自的焦面系統(tǒng).GMACS和WFOS都是一代儀器,目前GLAO技術(shù)發(fā)展的局限性導(dǎo)致其只能工作在視寧度限,但在設(shè)計(jì)上都保留了未來的可拓展性,尤其是GMACS焦面切換系統(tǒng)引入MANIFEST的設(shè)計(jì)思路極大地提高了其在未來的競爭力,而WFOS也在考慮引入像切割器以適應(yīng)未來GLAO帶來的視寧度改善; MOSAIC近紅外波段可利用望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)的優(yōu)勢工作在衍射限,因此其焦面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須同時考慮兩種工作模式,這在一定程度增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度,但是帶來的優(yōu)勢也是巨大的,尤其是光譜儀本體不必像GMACS和WFOS那樣考慮主動補(bǔ)償系統(tǒng)而相對穩(wěn)定.我們可以看到,3臺儀器都處于概念設(shè)計(jì)階段,不同子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)仍需要根據(jù)具體要求進(jìn)行權(quán)衡評估,而且很多天文技術(shù)的發(fā)展仍會不斷影響設(shè)計(jì)方案,尤其是近年來集成光子器件的發(fā)展、新型探測器技術(shù)的突破,很可能完全改變未來MOS的設(shè)計(jì)思路.TMT是中國主要參與的30 m望遠(yuǎn)鏡國際合作項(xiàng)目,WFOS也是其中的重要部分,多個國際團(tuán)隊(duì)的共同參與不僅體現(xiàn)了大型終端儀器的研制難度,而且也是關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)的最好證明.中國團(tuán)隊(duì)通過參與WFOS項(xiàng)目,將增加中國在大型地面光學(xué)天文儀器方面的國際顯示度,同時極大地促進(jìn)了國內(nèi)天文關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展,為未來大型天文終端的研制在科學(xué)、技術(shù)、工程、管理等多個方面積累重要經(jīng)驗(yàn).