天文望远镜设计  031M4015H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:专业核心课 | 任课教师:章海鹰,王国民,胡企千
授课时间: 星期五, 第1、2、3节
授课地点: 教1-313
授课周次: 3、4、5、6、7、8、9、10、11
授课时间: 星期三, 第9、10、11节
授课地点: 教1-313
授课周次: 3、4、5、6、7、8、9、10、11
授课时间: 星期三, 第9、10、11节
授课地点: 教1-313
授课周次: 3、4、5、6、7、8、9、10、11
授课时间: 星期五, 第1、2、3节
授课地点: 教1-313
授课周次: 3、4、5、6、7、8、9、10、11
课程编号: 031M4015H 课时: 54 学分: 3.0
课程属性: 专业核心课 主讲教师:章海鹰,王国民,胡企千
英文名称: Astronomical telescope design

教学目的、要求

教学目的、要求:不同的观测目标和理论研究,对望远镜的要求和配置也不同,通过本课程的教学,使得从事天文学研究的学生对天文望远镜有所了解,为将来能够提出合理的望远镜要求和配置打下基础,同时为将来能够更好、更高效的应用望远镜提供理论基础。 

预修课程

预修课程:普通天文学、光学工程、机械设计、有限元技术、精密传动技术、太阳仪器

教 材

参考书目:
(1)The Design and Construction of Large Optical Telescopes. Pierre Y. Bely 编著.  New York: Springer, 2003.
(2)天文望远镜设计,胡企千,姚正秋编著,中国科学技术出版社,2013.
(3)望远镜技术与天文测天,胡企千,东南大学出版社,2014.
 (4) 太阳物理导论,林元章著,科学出版社,2000.
(5) 实测天体物理学,黄佑然等编著,科学出版社,1987.

主要内容

“天文望远镜设计”课程大纲
课程介绍:天文望远镜是天文学家用来观测天空星体,探索宇宙奥秘的重要设备。天文望远镜的性能直接影响着天文学研究的水平,所以,如何设计一架性能优秀的天文望远镜在天文学研究中至关重要。本课程包括三部分内容:天文望远镜基础理论、光学望远镜和太阳望远镜。基础理论部分系统介绍了波动光学原理、天文坐标系和望远镜指向误差理论。光学望远镜部分将系统介绍典型的光路系统、光学望远镜结构,以及望远镜轴系传动技术。太阳望远镜部分将系统介绍各种类型的太阳望远镜以及观测仪器。
课程属性:专业核心课程,天文技术与方法专业学生必修课
学时学分:54学时、3学分
预修课程:普通天文学、光学工程、机械设计、有限元技术、精密传动技术、太阳仪器  
教学目的、要求:不同的观测目标和理论研究,对望远镜的要求和配置也不同,通过本课程的教学,使得从事天文学研究的学生对天文望远镜有所了解,为将来能够提出合理的望远镜要求和配置打下基础,同时为将来能够更好、更高效的应用望远镜提供理论基础。 
授课老师:
整个课程由三部分组成,分别由下列老师授课:
第一部分,天文望远镜基础理论,胡企千(南京天文光学技术研究所)
第二部分,光学望远镜,王国民(南京天文光学技术研究所)
第三部分,太阳望远镜,章海鹰(南京天文光学技术研究所) 
讲授内容: 
本课程的授课内容由三部分组成:
第一部分 天文望远镜基础理论(  18  学时):胡企千主讲
第1讲 天文学和天文仪器( 1 学时)
教学重点: 天文仪器和天文学的相互关系。
教学难点: 天体测量方法及仪器的原理。
第2讲 天文望远镜发展简史( 1 学时)
教学重点: 天文望远镜发展的几个阶段、相关科技的作用。
教学难点: 现代新技术望远镜所涉及的相关技术。
第3讲 波动光学基础理论及其在望远镜设计中的应用( 5 学时)
教学重点:衍射理论、点光源的“像”、点扩展函数 PSF、基于空间频率特性的物像关系、空间滤波基本概念、波动光学在天文观测中的应用、天文光干涉等。
教学难点: 有关数学公式、空间频率及衍射成像的原理和应用。
第4讲 几何光学基础( 3 学时)
教学重点:几何光学的理论基础、天文光学常用反射曲面、视场和孔径、近轴光路和理想光路的计算公式、波像差和几何像差的概念、薄透镜及其组合、望远镜系统、天文望远镜的光学系统等。
教学难点:几何光学成像系列公式的推导、天文望远镜光学系统外部参数设 计。
第5讲 天球坐标系及其转换( 2 学时)
教学重点:天球坐标系、三种坐标系的转换关系公式的推导、从赤道坐标到地平坐标转换公式的深化、不同赤纬的星的运行规律、地平式望远镜的速度盲区问题等。
教学难点: 坐标系的相互转换。
第6讲  望远镜机架形式( 2 学时)
教学重点:望远镜机架、常用的望远镜机架形式及其特点、特殊机架形式、望远镜轴系转动对像场的影响等。
教学难点: 轴系转动对像场影响。
第7讲 望远镜指向误差分析和改正(1 学时)
教学重点:用直角坐标系表示望远镜轴系、轴系几何误差引起的指向误差、望远镜指向误差的改正等。 
教学难点: 轴系几何误差的影响、望远镜指向误差的改正。
第8讲 结构力学和有限元原理( 3 学时)
           教学重点:材料力学、结构力学和弹性力学所研究的对象、连续弹性体、弹性力学的基本量和基本方程、有限元法原理及其在结构变形分析中的应用、有限元计算的基本问题、结构变形与望远镜成像的关系、结构力学的一些基本方法和基本问题等。   
教学难点: 弹性力学基本方程、有限元法原理和应用。

第二部分 光学望远镜( 18 学时):王国民主讲
第9讲 光学望远镜设计基础( 2 学时)
教学重点:光学望远镜基础、设计研发流程、望远镜设计常用的工具、项目管理、常用的验收方法等。
教学难点:光学望远镜各种参数、望远镜设计流程、常用的验收方法。
第10讲 望远镜典型的光路系统及镜面支承技术( 2学时)
教学重点:光学望远镜典型的光路系统、镜面结构及支承、主动支承技术。
教学难点:镜面主动支承及调整技术。
第11讲 望远镜结构( 2 学时)
教学重点:机架结构类型、镜筒结构类型。
教学难点:各种结构类型的比较选择。
第12讲 望远镜轴系及传动技术( 3 学时)
教学重点:望远镜方位轴轴系结构、高度轴轴系结构、轴系支承轴承、蜗轮蜗杆副传动技术、齿轮传动技术、摩擦传动技术、电机直接驱动技术。
教学难点:轴系结构的设计和传动类型的选择。
第13讲 望远镜指向及跟踪技术( 3 学时)
教学重点:望远镜指向模型的建立、控制电机、反馈码盘、跟踪技术以及空间望远镜姿态控制技术等。
教学难点:控制方法和控制元器件的选择。
第14讲 望远镜装配和调试( 2 学时)
教学重点:望远镜轴系的调整方法及设备、光轴和机械轴的调整方法及设备。
教学难点:轴系调整。
第15讲 光学望远镜台址、圆顶及成像质量改进技术( 2 学时)
教学重点:光学望远镜台址要求、圆顶结构、影响成像质量的因素及其改进技术。
教学难点:成像质量的改进技术,如主动光学、自适应光学、圆顶视宁度改进。
第16讲 南极及空间光学望远镜( 2 学时)
教学重点:特殊环境光学望远镜的设计要求、解决问题的方法、典型望远镜介绍。
教学难点:特殊环境光学望远镜面临的问题以及解决的方法。

第三部分 太阳望远镜( 18 学时):章海鹰主讲
第17讲 太阳观测与太阳选址( 2 学时)
教学重点: 研究太阳的意义、太阳物理基础知识、地球大气对太阳观测的影响、   太阳选址与仪器
教学难点:地球大气对太阳观测的影响
第18讲 太阳望远镜成像系统( 4 学时)
教学重点:太阳望远镜光学系统;定天镜、定日镜、日冕仪、太阳多通道望远           镜、红外太阳望远镜;太阳望远镜的热控
教学难点:日冕仪、太阳望远镜的热控
第19讲 太阳光谱的观测( 3 学时)
教学重点:太阳光谱的特点、分光仪的选择、光栅光谱仪、傅里叶变换光谱仪、 积分视场光谱仪
教学难点:傅里叶变换光谱仪、积分视场光谱仪
第20讲 太阳单色光观测( 3 学时)
教学重点:太阳单色光照相仪、双折射滤光器、多通道滤光器、实体迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪
教学难点:多通道滤光器
第21讲 太阳磁场与速度场测量( 4 学时)
教学重点:太阳磁场测量原理,光电磁像仪、照相磁像仪、视频磁像仪;太阳速度场测量方法,光电调制法、照相相减法、光谱-单色光照相法
教学难点:太阳磁场测量原理、视频磁像仪
第22讲 空间太阳观测与太阳射电观测( 2 学时)
教学重点:空间太阳观测的发展史、空间太阳望远镜;太阳射电观测的意义、射电日像仪
教学难点:空间太阳望远镜
 
教学手段与方法:课堂讲授、结合文献阅读
考核方式:笔试(课堂开卷、 课时,由   负责)

主要参考书目:
(1)The Design and Construction of Large Optical Telescopes. Pierre Y. Bely 编著.  New York: Springer, 2003.
(2)天文望远镜设计,胡企千,姚正秋编著,中国科学技术出版社,2013.
(3)望远镜技术与天文测天,胡企千,东南大学出版社,2014.
(4)天文望远镜原理和设计,程景全编著,中国科学技术出版社,2003.
(5) 太阳物理导论,林元章著,科学出版社,2000.
(6) 实测天体物理学,黄佑然等编著,科学出版社,1987.

参考文献