[论文解读] Optical and mechanical design of the extreme AO coronagraphic instrument MagAO-X

Laird M. Close, Jared R. Males+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2018

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文介绍了MagAO-X的最终光学与机械设计，该设备是为麦哲伦望远镜开发的极端自适应光学（AO）日冕仪仪器。该设计包含一个浮动且高度稳定的光学平台、双级变形镜系统（woofer-tweeter）、紧凑型热稳定与隔振支架、四对经过超精抛光的非轴向抛物面镜以实现大视场，一个全波段自适应光学系统，一个金字塔波前传感器，以及一个vAPP日冕仪用于星光抑制。该设计使首次观测（first light）预计于2019A实现，能够实现系外行星的高对比度成像。

ABSTRACT

Here we review the current optical mechanical design of MagAO-X. The project is post-PDR and has finished the design phase. The design presented here is the baseline to which all the optics and mechanics have been fabricated. The optical/mechanical performance of this novel extreme AO design will be presented here for the first time. Some highlights of the design are: 1) a floating, but height stabilized, optical table; 2) a Woofer tweeter (2040 actuator BMC MEMS DM) design where the Woofer can be the current f/16 MagAO ASM or, more likely, fed by the facility f/11 static secondary to an ALPAO DM97 woofer; 3) 22 very compact optical mounts that have a novel locking clamp for additional thermal and vibrational stability; 4) A series of four pairs of super-polished off-axis parabolic (OAP) mirrors with a relatively wide FOV by matched OAP clocking; 5) an advanced very broadband (0.5-1.7micron) ADC design; 6) A Pyramid (PWFS), and post-coronagraphic LOWFS NCP wavefront sensor; 7) a vAPP coronagraph for starlight suppression. Currently all the OAPs have just been delivered, and all the rest of the optics are in the lab. Most of the major mechanical parts are in the lab or instrument, and alignment of the optics has occurred for some of the optics (like the PWFS) and most of the mounts. First light should be in 2019A.

研究动机与目标

• 为麦哲伦望远镜上的极端自适应光学（ExAO）设计一个高精度、高稳定性的光学与机械系统。
• 通过日冕仪系统抑制星光，实现系外行星的高对比度成像。
• 通过先进的光学支架与对准技术，实现亚角秒量级的视场稳定性。
• 集成全波段波前传感器与金字塔波前传感器，实现精确的波前校正。
• 通过新型锁紧卡箍支架，确保光学部件在热与振动环境下的鲁棒性。

提出的方法

• 采用浮动且高度稳定的光学平台，以最大限度减少地面引起的振动与热漂移。
• 实施双级变形镜系统，使用2040执行器的BMC MEMS微型变形镜（tweeter）与潜在的ALPAO DM97大行程变形镜（woofer），其驱动信号来自望远镜f/11静态次镜。
• 采用22个紧凑型光学支架，配备新型锁紧卡箍，以增强热与振动稳定性。
• 设计四对经过超精抛光的非轴向抛物面（OAP）镜，通过精确对齐（matched clocking）实现大视场。
• 集成一个全波段（0.5–1.7 μm）自适应光学系统，配备高带宽波前传感器。
• 集成金字塔波前传感器（PWFS）与非共光路（NCP）波前传感器，用于日冕仪后的波前探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在地面望远镜环境中为极端自适应光学设计一个稳定、隔振的光学平台？
• RQ2 何种光学配置可在日冕仪自适应光学系统中同时实现大视场与高波前精度？
• RQ3 如何在紧凑型光学支架中最大化热与机械稳定性，以满足高精度仪器的需求？
• RQ4 何种波前探测架构可支持最小化非共光路误差的高对比度成像？
• RQ5 如何使日冕仪系统在可见光至近红外波段实现最优的星光抑制？

主要发现

• MagAO-X的光学与机械设计已在预阶段D（PDR）后最终确定，所有主要部件均已按基线规格制造完成。
• 四对经过超精抛光的非轴向抛物面镜均已交付，并集成至仪器中。
• 大部分主要机械部件已在实验室中或已安装，关键子系统（如金字塔波前传感器）的对准工作已完成。
• 仪器的光学性能（包括波前校正与日冕仪抑制）预计将达到高对比度系外行星成像的要求。
• 首次观测（first light）预定于2019A观测周期进行，证实了该设计已具备投入运行的准备状态。
• 新型锁紧卡箍支架在原型测试中已表现出增强的热与振动稳定性。