[论文解读] The Optical Corrector for the Dark Energy Spectroscopic Instrument

Timothy N. Miller, Peter Doel+45 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用 15

一句话总结

描述 DESI 的设计、制造和在天空中的性能，包括光学、力学、ADC 和整合；确认达到 DESI 对广域、高通量光谱观测的要求。

ABSTRACT

The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) is currently measuring the spectra of 40\,million galaxies and quasars, the largest such survey ever made to probe the nature of cosmological dark energy. The 4-meter Mayall telescope at Kitt Peak National Observatory has been adapted for DESI, including the construction of a 3.2-degree diameter prime focus corrector that focuses astronomical light onto a 0.8-meter diameter focal surface with excellent image quality over the DESI bandpass of 360-980nm. The wide-field corrector includes six lenses, as large as 1.1-meters in diameter and as heavy as 237\,kilograms, including two counter-rotating wedged lenses that correct for atmospheric dispersion over Zenith angles from 0 to 60 degrees. The lenses, cells, and barrel assembly all meet precise alignment tolerances on the order of tens of microns. The barrel alignment is maintained throughout a range of observing angles and temperature excursions in the Mayall dome by use of a hexapod, which is itself supported by a new cage, ring, and truss structure. In this paper we describe the design, fabrication, and performance of the new corrector and associated structure, focusing on how they meet DESI requirements. In particular we describe the prescription and specifications of the lenses, design choices and error budgeting of the barrel assembly, stray light mitigations, and integration and test at the Mayall telescope. We conclude with some validation highlights that demonstrate the successful corrector on-sky performance, and list some lessons learned during the multi-year fabrication phase.

研究动机与目标

• 阐明 DESI 需要一个广域、高通量的主焦点改正镜，以实现 40 million galaxy/quasar spectra。
• 定义光学、机械和集成要求，以在 360–980 nm 波长范围内、在 3.2 度视场内实现最小模糊和高通量。
• 描述改正镜及其支撑结构的设计、制造、对准公差和防直射光（stray-light）缓解策略。
• 展示集成改正镜在天空中的验证结果，并总结在多年的制造与调试过程中汲取的经验教训。

提出的方法

• 给出六透镜改正镜的光学设计（最大透镜直径至 1.1 m；透镜总质量约 864 kg）。
• 描述使用两片楔形的 borosilicate ADC 镜片进行大气色散补偿，镜片可向相反方向旋转。
• 详细说明用于在观测条件下保持对准的桶体、hexapod、笼架和顶端结构，用于在观测条件下保持对准。
• 提供光学处方，包括透镜曲率半径、厚度、间距，以及 C2、C3 和焦面的非球面系数。
• 进行鬼光分析与预算，以及光线追迹验证，确保鬼光污染低于规定限值。
• 概述在 Mayall 的集成与测试程序，以及在天空中的性能要点。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个 DESI 广域视场 (3.2 度) 的改正镜是否能在 360–980 nm 范围内达到所需的像质和通量？
• RQ2 在天顶角达到 60 度时，大气色散补偿器在恢复像质方面有多有效？
• RQ3 在观测条件下维持焦点和光纤耦合所需的机械公差与对准策略是什么？
• RQ4 预期的散射光/鬼像水平是多少，如何通过设计与涂层进行缓解？
• RQ5 集成改正镜在天空中的性能在像质和通量方面表现如何？

主要发现

• DESI 改正镜在焦平面上实现的平均像质约为 0.3 arcseconds FWHM，60 度天顶角时最差约 0.7 arcseconds。
• 两片楔形 borosilicate ADC 镜片提供大气色散补偿，在天顶角范围内维持通量与像质。
• 轴向传输为 77.5%（偏轴在 1.45 度时略降至 76%，场边处外部场的眩光衰减至 72%）。
• 鬼光分析显示最亮的双向镜像鬼光的相对辐照度约为 8.84e-9，13 mm 直径焦点鬼像，且整体鬼光污染满足<1%的场域面积标准（调查区域的 0.036%）。
• 最终镜片涂层实现约 0.5% 每表面平均反射率，相对于早期估计将鬼光强度降低约 16 倍。
• 集成与在天空中的验证证实 DESI 改正镜在项目要求范围内实现预期性能。