研究背景

      天文學、天體物理學是研究宇宙空間天體、宇宙結構和發展的科學，它跟所有自然科學一樣是一門實驗科學，望遠鏡就是最重要的實驗觀測設備之一。400多年前望遠鏡的發明改變了人類對宇宙的認識，為了探測廣袤無垠的宇宙空間和神秘遙遠的暗弱天體，望遠鏡的探測能力一代代提升。近10余年來，天文發現5次榮獲了諾貝爾物理學獎，占比很高。

      盡管天文學正以前所未有的速度發展，仍有許多關于宇宙本質的前沿問題亟待解決，各國天文學家們正在籌建新一代大型天文觀測設備。現代望遠鏡正朝著大鏡面、拼接鏡、主動光學的方向發展，對系外行星的觀測進入了多信使、海量數據、大科學工程時代。常見的巡天望遠鏡為圖像和光譜巡天望遠鏡，當前在建的大型光學和紅外望遠鏡將實現遠超過當前水平的大視場深度圖像巡天，但缺乏后續的光譜后隨巡天，光譜觀測得到的包括紅移、視向速度、化學成分、星族構成和運動學性質的物理參數是圖像觀測難以得到的信息。大視場多目標光譜巡天望遠鏡可以在數十年里保持競爭力和高產出，并且得到新的海量光數據，預示著重大新物理發現。

論文導讀

      在過去的幾十年間，各種寬視場高質量光譜巡天望遠鏡已經建成或處于設計階段，用于高效率銀河系或系外巡天，例如斯隆數字巡天（SDSS）、暗能量光譜儀（DESI）和郭守敬望遠鏡（LAMOST）。基于對大型寬視場多目標光譜巡天望遠鏡的急切需求，清華大學也提出了6.5m寬視場巡天望遠鏡（Multiplexed survey telescope，MUST），并將建設在中國青海省冷湖觀測站。目前，清華大學毛淑德、黃磊、蔡崢等教授共同領導的MUST技術團隊聯合國際國內專家，共同完成了MUST光學系統的概念設計。望遠鏡采用了里奇-克萊琴望遠鏡結構，結合五片透鏡組成的改正鏡組，將實現高質量光譜信息探測。初步設計方案以“Conceptual Design of the Optical System of the 6.5m Wide Field MUltiplexed Survey Telescope with Excellent Image Quality”為題于2023年5月發表在PhotoniX上。

主要研究內容

      MUST技術團隊目前已完成望遠鏡的概念設計，包括望遠鏡的光學系統、主鏡系統、副鏡系統、鏡筒系統、改正鏡支撐與控制系統、消旋與光纖焦面系統、終端儀器系統、機架系統、導星定標和波前探測系統。本文根據光學系統主要的組成部分分別詳細描述了初步的光學系統設計，并通過展示系統的成像質量展現卓越性能，完全滿足設計指標。MUST將具備世界領先的巡天效率，可以高效率探測天體的光譜信息。

      MUST主鏡是一個6.5m的蜂窩狀輕質單鏡，與分段鏡相比可以提高圖像質量并降低控制復雜度。副鏡為2.45m凸雙曲面鏡，與凹雙曲面主鏡組合，構成基本的里奇-克萊琴望遠鏡光學系統，焦比為F/3.6，總焦距為23323mm，有效地消除了焦平面上的球差和彗差。與主鏡和副鏡一起，五透鏡的寬視場校正鏡組設計可以通過補償大氣色散和波前像差來提高圖像質量。天體發出的0.365μm到1.100μm波段的光線通過光學系統后被焦面約20000根光纖接收，傳輸至后端光譜儀獲取豐富的光譜信息。通過該光學系統，可以實現優越的成像質量，在50°天頂角和3°視場范圍內80%環繞能量不超0.512角秒，最小可以達到0.362角秒，遠好于要求的0.6角秒，到達焦面的光線可以以相當好的質量進入光纖。除此之外，文章還分別介紹了系統在熱效應和公差分析下的穩定性，全面展現了該光學系統設計的優越性。

技術突破

      MUST的光學系統如下圖1所示，6.5m雙曲凹面單主鏡與2.45m雙曲凸面單副鏡共同組成焦比F/3.6的里奇-克萊琴光學系統。主鏡設計為蜂巢狀輕量化單鏡代替分段鏡，以提高成像質量并降低控制復雜度。主鏡的背面設計100個負載分配器作為主動支撐系統，可以在不同天頂角下動態調整主鏡表面形狀獲得更好的焦面成像質量。副鏡也是輕量化單鏡，設計了36點的軸向支撐whiffle-tree和一個6個切向桿的橫向支撐，并與副鏡一起安裝在六足架上，這種設計將降低組件的整體復雜性，并確保五維剛性運動調節功能。為了保證望遠鏡在不同天頂角下大氣色散的影響，后續光路中加入了一對相對旋轉工作方式的楔形透鏡作為大氣色散改正鏡（ADC）。除此之外，還有三片單透鏡與ADC組合在一起構成多元素改正鏡系統，共同消除光學系統的像差。其中第一片透鏡口徑為1.8m，是目前世界上已知尺寸最大的單透鏡改正鏡，這將在制造和檢測階段帶來額外的挑戰。

      該光學系統設計實現了優越的成像質量，滿足了最初對光學系統性能的要求。50°天頂角、3°視場角范圍內，光斑在0.365μm到1.100μm波段的平均RMS半徑不超過25μm，最好可以達到16.4μm；80%環繞能量不超0.512 arcsec，最小可以達到0.362 arcsec。光線以高質量被安裝在焦平面高密度光纖定位裝置上的20000根光纖接收，以高耦合效率傳輸至后端光譜儀并達到5000的光譜分辨率。MUST將實現50°天頂角范圍的高效率光譜巡天掃描，按目前概念設計，MUST光譜巡天效率約為目前世界領先的光譜巡天望遠鏡DESI的19倍。

觀點評述

      本文介紹了清華大學提出的6.5m寬視場光譜巡天望遠鏡 (MUST) 光學系統的概念設計。MUST將建設在中國西北的賽什騰山上，開展下一代大規模光譜巡天。光學設計的突破和創新，將使MUST探測北半球天空的效率比目前世界領先的DESI巡天效率高19倍，成為世界上最大、最先進的光譜巡天望遠鏡之一。有理由相信，未來MUST將成為下一代大規模光譜巡天的旗艦級設備，并將在很長時間內保持領先的巡天競爭力，在星系宇宙學（暴漲物理及暗物質、暗能量本質）、引力波宇宙學、時域天文學、銀河系結構和形成歷史等廣泛的前沿科學中提供幫助。在MUST的科學潛力之外，它所催生的技術探索，將從前沿科學的高度，牽引微納光譜儀、特種光學材料、高精度傳感器制造、大型精密機械制造、低噪聲近紅外探測器等領域的快速發展。相關技術可廣泛應用于國計民生、航天深空探測等領域，對國家經濟建設和國防安全將具有重要作用。

主要作者

      黃磊，博士，清華大學長聘教授、博士生導師。清華大學精密儀器系激光與光子技術研究所所長，清華大學天文技術中心常務副主任，光子測控技術教育部重點實驗室副主任、清華大學寬視場巡天望遠鏡（MUST）項目總工程師。入選國家高層次人才計劃、國家重點領域創新團隊帶頭人。長期從事自適應光學、天文光學等方面的研究工作。承擔國家重大科技專項、自然科學基金等數十項國家科研項目，在國內外核心刊物上發表SCI收錄論文100余篇，獲得授權中國發明專利50余項，獲得教育部技術發明獎一等獎、自然科學獎二等獎、技術明獎二等獎等五項省部級獎勵。

      姜海嬌，清華大學副研究員，清華大學寬視場巡天望遠鏡（MUST）項目光學副總工程師。主要從事望遠鏡和光譜終端儀器的設計與研發工作，涉及空間與地面望遠鏡的光學系統設計與研發，天文光譜儀的設計與研制以及光譜探測新技術與新方法的研究。主持縱向課題3項，其中國家自然科學基金2項，天文財政專項1項。參與中國載人空間站工程、國家自然科學基金重大儀器以及國際合作項目等重大科學工程或設備研制任務。發表學術論文5篇，專利2項。

      張藝凡，清華大學精密儀器系2021級直博生，主要研究方向聚焦于大口徑天文望遠鏡光學系統設計與波前探測技術。