报告：TMT红外成像光谱仪（IRIS）的新型光学设计研究

作者及机构

本文的主要作者是Yoko Tanaka, Ryuji Suzuki, Masayuki Hattori, Yoshiyuki Obuchi以及Fumihiro Uraguchi，分别隶属于Subaru Telescope、National Astronomical Observatory of Japan（NAOJ）及其Advanced Technology Center。本文发表于《Proceedings of SPIE》，标题为“The infrared imaging spectrograph (iris) for tmt: new imager optical design with h4rg-15 detectors”，出版时间为2024年。

研究背景

IRIS（The Infrared Imaging Spectrograph，红外成像光谱仪）是三十米望远镜（TMT）的首批重要观测仪器之一，主要用于近红外波段（0.84至2.4微米）上的衍射极限成像及积分场光谱观测功能。该仪器通过TMT的自适应光学系统支持，能够达到非常高的精确度，满足前所未有的观测敏感性。

在原设计中，IRIS的成像部分采用四块Teledyne H4RG-10探测器进行10微米像素采样。然而，在最终设计阶段，获取64通道H4RG-10探测器的成本和进度引发了不确定性。因此，研究团队开始探索基于H4RG-15探测器（像素大小为15微米）的光学设计，以作为可能的新设计基础。本文主要描述了IRIS成像器光学系统的新设计过程、设计参数调整、误差分析以及热学和结构上的对策。

研究目的

该研究的目标是在现有设计约束下，为IRIS重新设计一个基于H4RG-15探测器的光学系统，同时满足所有波前误差（Wavefront Error, WFE）、机械接口和光学接口的设计要求；并在成本、技术可行性以及制造难度上提供优化方案。

研究流程

1. 设计参数的确定与约束

研究团队首先明确光学设计所需满足的主要要求，包含： - 波前误差（WFE）在<7 nm RMS范围内（需经过自适应光学DM修正）； - 像场曲率应>6000 mm（凹形或凸形）； - 瞳面位置故障偏差不得超过瞳孔直径的0.2%； - 像面倾斜角限制在2至5度之间； - 光路失真应小于几个百分点。

同时，光学设计的物理约束主要体现在IRIS成像子系统占用的有限空间不允许进行大幅度结构调整，以及必须尽量减少对现有接口和其他子系统的影响。

2. 初步设计探索与局限性

研究团队发现以1.5倍倍率扩展相机的焦距时难以同时满足WFE与像面倾斜要求。随后，团队对准直镜系统进行可变性分析后，得到了一个具有对称设计的初步方案。然而，对称性在扩展后焦距中已难以维持，从而迫使团队转向新型两镜望远镜光路设计（telephoto system）。

3. 新设计的光学布局

新的光学设计基于三块镜子构成相机系统，其中最后一块为可折叠的平面镜，用以优化空间使用。设计还将第二块镜子由非球面改为球面镜，从而整体减少两个非球面镜面。这种改动降低了制造难度和技术风险，同时对现有机械结构影响较小。此外，通过适当调整，光瞳位置偏移仅限于10 mm。

4. 性能分析

新设计在多个关键性能指标上均满足需求： - 波前误差：DM校正后小于4.9 nm RMS； - 像场曲率：达到20000 mm（凸形），显著优于设计要求； - 窗口失真小于2%； - 像面倾斜角优化至1.5度，即便略低于要求范围，仍被评估为可接受。 此外，为控制窗口与探测器表面间的鬼影（Ghost Image），研究团队分析了探测器倾斜角对鬼影面积的影响。在1.5度倾斜角时，鬼影面积减少了90%以上。

5. 公差分析

研究团队分别进行了镜面曲率半径误差和组件装配误差的分析： 1. 曲率半径误差：采用蒙特卡洛法模拟500个镜面曲率分布样本，结果显示错误对WFE的影响可被至多限定于5.74 nm RMS以内。 2. 组件装配误差：在模拟装配后调整过程中，WFE最终错误分布收敛至7.5 nm RMS，稍高于7 nm目标值，但被认为在可接受误差范围内。

主要结果

新光学设计中，IRIS光学系统的焦距增加至24.44倍焦比（f-number），却成功将非必要光学元件对接口的影响降至最低。此外，通过优化镜面形状和减少鬼影干扰，新设计显著提高了机械制造和热结构调节上的兼容性。

• 设计改进：相比于H4RG-10光路设计，新光路从6个非球面镜减至4个，从而降低了光路复杂性与制造成本。
• 性能优化：新设计在WFE、像场曲率以及鬼影等约束性指标上展现了更优性能，其中WFE被大幅优化至4.9 nm RMS。

研究意义与价值

本研究为红外高灵敏度成像光谱技术提供了重要进展： 1. 科学价值：新设计显著提升了IRIS系统的衍射极限成像能力，有效支持天体物理领域的精细观测需求。 2. 工程创新：通过结合两镜望远镜光路、优化热机械参数与公差设计，新方案在有限成本和严格技术约束下实现了显著改进。 3. 应用前景：TMT作为下一代巨型望远镜旗舰项目，其配套IRIS仪器的改良设计不仅能为天文成像带来深远影响，也为未来其他大型望远镜的光学设计提供了借鉴。

研究亮点

新设计的创新之处在于： 1. 引入了两镜望远系统，基于有限空间显著优化了光学布局； 2. 减少了非球面镜数量，提高了光学制造可行性； 3. 克服了鬼影与像面倾斜问题，有效提升了成像质量。

在高性能与工程可行性之间的权衡下，本研究的光学设计成果为未来IRIS部署奠定了坚实基础，同时为高灵敏度、低误差的天文学仪器研发树立了新的标杆。