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研究主题及作者信息

本文介绍了一项关于TMT（Thirty Meter Telescope）首光自适应光学系统NFIRAOS（Narrow Field InfraRed Adaptive Optics System）激光导星系统设计更新的研究。这项研究的主要作者包括Jeffrey Crane、Jenny Atwood、Glen Herriot、Kate Jackson、Jordan Lothrop、Emma Rautio-Roe及Jean-Pierre Véran，研究所属机构为加拿大赫兹柏格天文与天体物理研究中心（NRC Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Center）。该研究发表于《Proceedings of SPIE》的第13097卷中，文章标题为“Design update of the laser guide star system for NFIRAOS using the C-Blue One camera”，发表时间为2024年。

研究背景

NFIRAOS是TMT的首光自适应光学系统，其功能是通过多共轭自适应光学技术对目标视场内的大气湍流进行补偿，从而提升天文影像的空间分辨率。激光导星波前传感器系统（Laser Guide Star Wavefront Sensor System, LGS WFS）是NFIRAOS中的关键组成部分，用于调整来自大气的失真。在2018年的最终设计评审后，这一系统的设计接受了新的考量，并开展了一项研究以评估是否将First Light Imaging公司开发的C-Blue One相机整合至LGS WFS设计中。本研究旨在评估C-Blue One相机在NFIRAOS系统中的应用效能，并针对新相机进行重新设计和优化。

研究流程

本研究主要包括以下几个阶段：

1. 激光导星子系统的当前状态（2018年设计复核简述）： 在2018年的设计中，NFIRAOS的LGS子系统采用的是定制的极坐标CCD相机，该相机具备独特的环形像素排布，用以分辨由望远镜传递的拉伸激光斑点。原有设计的相机集成了60×60透镜阵列（Lenslet Array），但该设计面临一些技术挑战，诸如相机的大体积、大功耗以及对严苛的光机对准需求等。

2. 新相机的引入及评估（2019年贸易研究）： 研究团队在2019年First Light Imaging公司展示C-Blue One相机（基于Sony的IMX425LLJ CMOS传感器）后，开展了贸易研究，评估新相机替代原有定制相机的可行性。

新相机的主要特点包括： - 分辨率达1604×1104像素，像素尺寸为9μm。 - 高帧率：全帧模式可达480Hz。 - 低读出噪声（约2.3e-）。 - 相对经济的定价（约20,000欧元）。

同时，对比原相机，新相机在功耗、体积、重量以及成本效益等方面具有显著优势。然而，C-Blue One的传感器尺寸较小，无法直接集成透镜阵列，因此需要额外设计中继光学系统以重新成像。

1. 光学与光机系统的重新设计： 为适配C-Blue One相机，研究团队重新设计了LGS的光学系统，主要更新包括：

   • 中继镜组（Relay System）： 利用中继设计重新成像一个75×75次口径的透镜阵列。
   • 透镜设计的优化： 采用双凸设计的双面透镜，通过第一曲面将入射光划分为夏克-哈特曼（Shack-Hartmann）点，并通过第二曲面形成一束电远心光束。
   • **中继光学性能保持在衍射极限，同时确保相机传感器的入射角在±6.25°范围内，从而维持90%的光通量。
   • 用于重新对焦和热稳定的小型对准调整工具的开发。

2. 子系统的机械结构改善： 对于导星子系统的机械结构，研究团队通过利用C-Blue One的小尺寸和低质量优势，简化了光机布局，提高了封装密度。此外，相机的低功耗显著降低了热管理设计的复杂性。

3. 热特性原型测试： 团队对C-Blue One的热性能进行了实验验证，以确保相机在-30°C运行下的性能稳定性。实验表明，通过改进散热设计，结合使用传导性良好的冷却板和较厚的隔热材料，能有效降低系统局部温度并保持温度均匀性。

实验结果

1. 性能改进： 应用C-Blue One相机后，波前探测器性能显著提升，透镜阵列的光学对准要求有所降低。这得益于相机新增的边缘像素（spare pixels）提供了额外的全局误差校正能力，支持放宽对焦和机械对准容差。

2. 热管理优化： 测试结果显示，尽管相机后部温度相对较高，但结合额外散热设计后可保证其他部件的温度在目标范围内。

3. 简化设计： 相较2018年设计，新设计减少了光机复杂性并降低了系统制造和校准的时间成本。

结论与意义

本研究通过重新设计LGS的光学和光机子系统，将C-Blue One相机成功整合至NFIRAOS系统中，展示了传感器技术的更新对于高级天文仪器设计的显著益处。新设计不仅提升了波前传感性能，还降低了系统设计与维护的复杂性，为未来的大型天文设备开发树立了重要的技术标杆。

研究亮点

1. 首次在NFIRAOS系统中成功应用C-Blue One相机。
2. 通过创新的中继光学设计和热管理策略，解决了小型传感器集成的挑战。
3. 显著提升光机系统的灵活性和实用性。

展望

未来工作包括： - 针对子系统的端到端性能测试。 - 模拟真实的LGS星斑分布以验证整体系统校准。 - 进一步优化主动散热设计以应对实际运行的复杂工况。

这份研究体现了高效整合新硬件技术对提升大型天文学仪器性能和操作效率的重大意义，同时也展现了灵活调整设计以应对实际需求的研究范式。