撰稿人 | 张艺凡
论文题目 | Conceptual Design of the Optical System of the 6.5m Wide Field MUltiplexed Survey Telescope with Excellent Image Quality
作者 | 张艺凡，姜海娇，Stephen Shectman，杨德华，蔡峥，施勇，黄崧，鹿璐，郑亚旻，康少男，毛淑德，黄磊
完成单位 | 清华大学MUST项目团队，清华大学天文技术中心，清华大学精密仪器系，清华大学天文系，华盛顿卡内基研究所卡耐基天文台，南京大学天文与空间科学学院，南京大学现代天文学和天体物理学重点实验室
天文学、天体物理学是研究宇宙空间天体、宇宙结构和发展的科学，它跟所有自然科学一样是一门实验科学，望远镜就是最重要的实验观测设备之一。400多年前望远镜的发明改变了人类对宇宙的认识，为了探测广袤无垠的宇宙空间和神秘遥远的暗弱天体，望远镜的探测能力一代代提升。近10余年来，天文发现5次荣获了诺贝尔物理学奖，占比很高。
尽管天文学正以前所未有的速度发展，仍有许多关于宇宙本质的前沿问题亟待解决，各国天文学家们正在筹建新一代大型天文观测设备。现代望远镜正朝着大镜面、拼接镜、主动光学的方向发展，对系外行星的观测进入了多信使、海量数据、大科学工程时代。常见的巡天望远镜为图像和光谱巡天望远镜，当前在建的大型光学和红外望远镜将实现远超过当前水平的大视场深度图像巡天，但缺乏后续的光谱后随巡天，光谱观测得到的包括红移、视向速度、化学成分、星族构成和运动学性质的物理参数是图像观测难以得到的信息。大视场多目标光谱巡天望远镜可以在数十年里保持竞争力和高产出，并且得到新的海量光数据，预示着重大新物理发现。
在过去的几十年间，各种宽视场高质量光谱巡天望远镜已经建成或处于设计阶段，用于高效率银河系或系外巡天，例如斯隆数字巡天（SDSS）、暗能量光谱仪（DESI）和郭守敬望远镜（LAMOST）。基于对大型宽视场多目标光谱巡天望远镜的急切需求，清华大学也提出了6.5m宽视场巡天望远镜（Multiplexed survey telescope，MUST），并将建设在中国青海省冷湖观测站。目前，清华大学毛淑德、黄磊、蔡峥等教授共同领导的MUST技术团队联合国际国内专家，共同完成了MUST光学系统的概念设计。望远镜采用了里奇-克莱琴望远镜结构，结合五片透镜组成的改正镜组，将实现高质量光谱信息探测。初步设计方案以“Conceptual Design of the Optical System of the 6.5m Wide Field MUltiplexed Survey Telescope with Excellent Image Quality”为题于2023年5月发表在PhotoniX上。
MUST技术团队目前已完成望远镜的概念设计，包括望远镜的光学系统、主镜系统、副镜系统、镜筒系统、改正镜支撑与控制系统、消旋与光纤焦面系统、终端仪器系统、机架系统、导星定标和波前探测系统。本文根据光学系统主要的组成部分分别详细描述了初步的光学系统设计，并通过展示系统的成像质量展现卓越性能，完全满足设计指标。MUST将具备世界领先的巡天效率，可以高效率探测天体的光谱信息。
MUST主镜是一个6.5m的蜂窝状轻质单镜，与分段镜相比可以提高图像质量并降低控制复杂度。副镜为2.45m凸双曲面镜，与凹双曲面主镜组合，构成基本的里奇-克莱琴望远镜光学系统，焦比为F/3.6，总焦距为23323mm，有效地消除了焦平面上的球差和彗差。与主镜和副镜一起，五透镜的宽视场校正镜组设计可以通过补偿大气色散和波前像差来提高图像质量。天体发出的0.365μm到1.100μm波段的光线通过光学系统后被焦面约20000根光纤接收，传输至后端光谱仪获取丰富的光谱信息。通过该光学系统，可以实现优越的成像质量，在50°天顶角和3°视场范围内80%环绕能量不超0.512角秒，最小可以达到0.362角秒，远好于要求的0.6角秒，到达焦面的光线可以以相当好的质量进入光纤。除此之外，文章还分别介绍了系统在热效应和公差分析下的稳定性，全面展现了该光学系统设计的优越性。
MUST的光学系统如下图1所示，6.5m双曲凹面单主镜与2.45m双曲凸面单副镜共同组成焦比F/3.6的里奇-克莱琴光学系统。主镜设计为蜂巢状轻量化单镜代替分段镜，以提高成像质量并降低控制复杂度。主镜的背面设计100个负载分配器作为主动支撑系统，可以在不同天顶角下动态调整主镜表面形状获得更好的焦面成像质量。副镜也是轻量化单镜，设计了36点的轴向支撑whiffle-tree和一个6个切向杆的横向支撑，并与副镜一起安装在六足架上，这种设计将降低组件的整体复杂性，并确保五维刚性运动调节功能。为了保证望远镜在不同天顶角下大气色散的影响，后续光路中加入了一对相对旋转工作方式的楔形透镜作为大气色散改正镜（ADC）。除此之外，还有三片单透镜与ADC组合在一起构成多元素改正镜系统，共同消除光学系统的像差。其中第一片透镜口径为1.8m，是目前世界上已知尺寸最大的单透镜改正镜，这将在制造和检测阶段带来额外的挑战。
图1 （a）MUST光学系统设计示意图。M1为主镜，M2为副镜。（b）改正镜（WFC）由透镜L1~L5组成。L1的背面（L1-B）、L2的正面(L2-F)、L3的正面(L3-F)、L5的背面(L5-B)为非球面。d1是主镜与副镜之间的距离，d2是副镜与焦平面之间的距离。dc1、dc2、dc3、dc4、dc5分别为L1、L2、L3、L4、L5与焦平面的距离。
该光学系统设计实现了优越的成像质量，满足了最初对光学系统性能的要求。50°天顶角、3°视场角范围内，光斑在0.365μm到1.100μm波段的平均RMS半径不超过25μm，最好可以达到16.4μm；80%环绕能量不超0.512 arcsec，最小可以达到0.362 arcsec。光线以高质量被安装在焦平面高密度光纤定位装置上的20000根光纤接收，以高耦合效率传输至后端光谱仪并达到5000的光谱分辨率。MUST将实现50°天顶角范围的高效率光谱巡天扫描，按目前概念设计，MUST光谱巡天效率约为目前世界领先的光谱巡天望远镜DESI的19倍。
图2 （a）~（c）MUST在0°、30°和50°天顶角下的姿态。（g）不同天顶角下80%环绕能量随视场变化的曲线。（h）不同天顶角下非渐晕光线比例随视场变化的曲线。（i）最大畸变随天顶角变化的曲线。
本文介绍了清华大学提出的6.5m宽视场光谱巡天望远镜 (MUST) 光学系统的概念设计。MUST将建设在中国西北的赛什腾山上，开展下一代大规模光谱巡天。光学设计的突破和创新，将使MUST探测北半球天空的效率比目前世界领先的DESI巡天效率高19倍，成为世界上最大、最先进的光谱巡天望远镜之一。有理由相信，未来MUST将成为下一代大规模光谱巡天的旗舰级设备，并将在很长时间内保持领先的巡天竞争力，在星系宇宙学（暴涨物理及暗物质、暗能量本质）、引力波宇宙学、时域天文学、银河系结构和形成历史等广泛的前沿科学中提供帮助。在MUST的科学潜力之外，它所催生的技术探索，将从前沿科学的高度，牵引微纳光谱仪、特种光学材料、高精度传感器制造、大型精密机械制造、低噪声近红外探测器等领域的快速发展。相关技术可广泛应用于国计民生、航天深空探测等领域，对国家经济建设和国防安全将具有重要作用。
黄磊，博士，清华大学长聘教授、博士生导师。清华大学精密仪器系激光与光子技术研究所所长，清华大学天文技术中心常务副主任，光子测控技术教育部重点实验室副主任、清华大学宽视场巡天望远镜（MUST）项目总工程师。入选国家高层次人才计划、国家重点领域创新团队带头人。长期从事自适应光学、天文光学等方面的研究工作。承担国家重大科技专项、自然科学基金等数十项国家科研项目，在国内外核心刊物上发表SCI收录论文100余篇，获得授权中国发明专利50余项，获得教育部技术发明奖一等奖、自然科学奖二等奖、技术明奖二等奖等五项省部级奖励。
姜海娇，清华大学副研究员，清华大学宽视场巡天望远镜（MUST）项目光学副总工程师。主要从事望远镜和光谱终端仪器的设计与研发工作，涉及空间与地面望远镜的光学系统设计与研发，天文光谱仪的设计与研制以及光谱探测新技术与新方法的研究。主持纵向课题3项，其中国家自然科学基金2项，天文财政专项1项。参与中国载人空间站工程、国家自然科学基金重大仪器以及国际合作项目等重大科学工程或设备研制任务。发表学术论文5篇，专利2项。
张艺凡，清华大学精密仪器系2021级直博生，主要研究方向聚焦于大口径天文望远镜光学系统设计与波前探测技术。
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-023-00094-4
文献检索：
PhotoniX 4, 14 (2023). https://doi.org/10.1186/s43074-023-00094-4
