南京天文光学技术研究所

中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所于2001年4月25日由原南京天文仪器研制中心科研部分组建而成，1998年首批进入中国科学院知识创新工程。   

南京天光所是中国专业天文仪器研制及天文技术研究和发展的重要基地，自其前身1958年成立起四十多年来，共为中国天文观测研制了40多种门类齐全的天文仪器，包括恒星物理观测仪器，太阳物理观测仪器，人造卫星观测仪器，天体测量观测仪器，射电天文观测仪器，空间（含球载）天文观测仪器等。其中典型代表是2.16米光学天文望远镜（获国家科技进步一等奖）。在天文技术研究方面取得了以“天文望远镜光学的研究”（获国家自然科学二等奖）为代表的一大批研究成果。迄今共获得国家、院部省级的各种奖55项。其中， 作为第一获奖(完成)单位,获国家科技进步一等奖1项、国家自然科学二等奖1项、国家科技进步二等奖3项、国家科技进步三等奖1项。作为第二获奖(完成)单位获国家科技进步一等奖1项、国家科技进步二等奖 2项。另外还为美国、西班牙、日本和韩国等国家研制了近30台天文仪器。

进入新世纪，作为研究和发展中国天文仪器及技术的国家队，南京天光所按照中国科学院知识创新工程的战略部署，进一步凝练创新目标，优化学科布局，发挥学科优势，取得了许多创新成果。所承担的国家自然科学基金重点项目“高精度大口径天文镜面磨制技术”获江苏省2004年科技进步一等奖，2005年国家科技进步二等奖。这标志着我国高精度大口径天文镜面技术迈上新台阶，进入世界先进行列。南京天光所30米光学/红外天文望远镜预研究团组已在国际未来巨型天文望远镜研究领域中占有了一席之地。国家大科学工程“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”（简称LAMOST项目）的关键技术—主动光学技术也已取得重大突破。LAMOST建成后将使研究所主动光学技术、大望远镜设计研制和光纤光谱技术在世界上处于领先行列。

南京天光所拥有国内一流的天文光学和技术专家。现有研究员20多名，其中院士2名；现有博士生导师和硕士生导师20多名。目前在学的研究生近50名，其中博士生10名。

南京天光所积极开展与国内外学术机构的交流与合作。根据中国科学院的“全院办校，所系结合”的方针，与中国科技大学精密机械与精密仪器系以及电子科学与技术系签订了所系合作协议，并在此基础上开展了卓有成效的合作研究和人才培养工作。天光所还与国外著名的天文机构保持着良好的合作关系，每年利用各种渠道派遣科研人员到国际一流的天文台和研究所做工作访问和学术交流。

作为创新工程基地，南京天光所承担了许多科研项目，包括：国家重大科学工程LAMOST项目、国家自然科学基金重大项目空间太阳望远镜（SST）、中科院知识创新工程重大预研项目“500米口径射电望远镜（FAST）的主动反射面预研究”等项目20多项。天光所还设有主动光学、天文镜面等多个实验室以及太阳仪器、天文光谱和高分辩成像、望远镜新技术研究室。这些实验室拥有太阳光谱测试装置、双频激光干涉仪、大口径薄镜面以及拼接镜面主动光学试验平台、高精度摩擦驱动试验平台、恒星光干涉实验平台、3.6米环抛机、WYKO干涉仪、2.5米磨镜机、1.2米数控磨镜机、1.6米磁控溅射真空镀膜机等先进实验条件和装备。

为了高质量地完成所承担的科研任务，南京天光所通过了ISO9001：2000国际质量管理体系认证，建立起与国际接轨的科学的质量管理体系，今后将坚定执行“质量第一，科学管理，唯真求实，协力创新”的质量方针，并致力于培养一支知识创新、重视质量、善于管理的高科技队伍。

南京天光所的总体发展目标为：具体实施我国天文学在天文技术方面的长远发展规划和可持续发展战略，发展和跟踪与现代天文学密切相关的高新技术，承担LAMOST等国家重大以及中型地面和空间天文设备的研制和预研，同时在其它领域中发挥优势并相互推动高科技的发展。将研究所办成我国天文光学高新技术研究和发展基地、国家大型天文设备的研制基地以及高级人才的培养基地。

南京天文光学技术研究所

南京天光所的优势学科为：  

天文光学系统的优化设计

新概念天文望远镜研究

大口径望远镜结构优化设

主动光学(薄镜面与拼镜面)

高分辨率天文光谱仪设计

双折射滤光器

高精度大口径天文镜面技术

南京天光所重点发展领域为：  

主动光学

自适应光学

光干涉等高分辨率成像技术

高精度天文非球面镜面技术

巨型天文精密机械

高精度计算机自动控制技术

极大望远镜方案研究

新概念天文仪器及关键技术

虚拟望远镜—天文望远镜集成 

发展战略

在努力保证国家重大科学工程项目LAMOST圆满完成的基础上，以30-100米光学/红外望远镜的方案和关键技术预研为主，努力发展各项天文高技术并广泛开展国际合作，将天光所办成国内一流，在国际上有重要影响的天文技术研究所。

崔向群（所长）：主持全所工作，对全所科研业务与行政工作负责。负责LAMOST项目的工作。  

栗效东（常务副所长）：协助所长负责全所日常工作。具体分管财务、综合计划和综合统计、图书情报和网络信息、设备和国有资产管理、质量管理、行政后勤、安全保卫、基本建设工作。主要联系综合办、业务办、财务室。 

张丽萍（党委书记）：主持所党委工作，对全所党务、政治思想工作、创新文化建设负责。分管日常党务、纪检监察和审计、人力资源和社会保障（包括医疗费用审查）、计划生育、退休人员管理、工会、团委工作、LAMOST项目管理（项目办公室、项目合同与财务）。主要联系综合办、业务办、工会、团委、LAMOST工程部。  

朱永田（副所长）：协助所长负责全所业务工作，具体分管科研业务、教育、国际合作、镜面实验室、保密工作。主要联系业务办、镜面实验室、学术委员会、学位评定委员会、天文学会、保密委员会。 

南京天文光学技术研究所

天文光学技术重点实验室

发展定位： 具体实施中国天文学在天文仪器和技术方面的长远发展规划和可持续发展战略，研究和发展与现代天文学密切相关的高新技术，承担国家大型中型地面和空间天文设备的预研和研制，同时在国家安全项目中发挥优势并相互推动高科术的发展。

研究方向：

1.光学/红外望远镜新技术；

2.天文光谱和高分辨成像技术；

3.太阳望远镜及其仪器；

4.高精度大口径天文光学镜面技术。

望远镜新技术研究室

随着天文学和科学技术的发展，天文学家希望能够观测到更多的早期宇宙事件、更加遥远的天体以及更多的天体细节，例如第一代恒星和星系，观测银河系和其他星系近核的区域，以及研究邻近恒星中的类地球行星等，这些都需要研制口径更大，分辨率更高的空间和地面望远镜，依赖于望远镜新技术、新方法的发展。

望远镜新技术实验室是专业天文仪器研制及天文技术研究和发展的重要基地，其优势技术为：天文光学系统优化设计、大望远镜结构优化设计、大口径镜面支撑技术、大口径主动光学（包括可变形镜面和拼接镜面主动光学）技术、低速高精度跟踪技术。目前的研究和研制项目有：国家重大科学工程项目“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”(LAMOST)、1米红外太阳望远镜、30－100米极大光学/红外望远镜方案及相关新技术预研究、空间大口径望远镜方案及相关技术预研究、大口径自适应光学技术、地平式跟踪架的高精度摩擦驱动技术、天文望远镜集成化建模仿真研究等项目。

LAMOST将是开展大规模光谱巡天观测的最强有力的天文设备。这是一架通光口径4米，视场5°的反射Schmidt望远镜，整个望远镜固定安置在子午面内，在天体中天前后约1.5小时中观测。由24块六角形薄镜面拼接的5.8米X4.4米反射Schmidt改正镜既用于将星光反射向固定的由37块六角形子镜拼接的6.5米球面主镜，又用于校正主镜的球差，这要求Schmidt改正镜的面形在观测过程中实时变化成要求的非球面。应用了主动光学方法才使这样的光学系统得以实现。在LAMOST焦面上将设置4000根光纤，配置16台光谱仪。国家投资2.35亿元，预计2007年出光并开始试观测。建成后，在获得大规模天体光谱的能力方面将是世界上最强大的望远镜。

在九十年代室内主动光学实验研究的基础上，结合LAMOST关键技术预研究，进一步开展薄变形镜面主动光学技术和拼接镜面主动光学技术；室外的大口径主动光学实验望远镜装置，作为 LAMOST项目主动光学技术的预研究项目，在2004年成功的开展了在室外模拟LAMOST跟踪天体情况的1.1米六角形薄变形镜面主动光学实验。三块1.1米六角形反射镜的共焦拼接技术在2006年初也获得成功。这些工作不仅为我国大口径光学望远镜的研制打下基础，还使我国的主动光学技术走到国际前沿。

同时研究室开展了极大和新概念望远镜方案及相关新技术预研工作。2000年在天文望远镜和仪器国际会议上报告关于中国30-100米口径极大光学/红外望远镜方案研究并发表文章。2004年6月又将最新的一种30米口径的中国极大望远镜的方案在国际会议上作口头报告。2005年又开始研究极大口径大视场望远镜和大口径空间望远镜。以上研究工作具有许多创新特色。

南京天文光学技术研究所

主动光学实验室 

天文学需要探测更加遥远的天体，因此需要研制口径更大，成像质量更高的望远镜。薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学技术是为实现研制成像质量更高、口径更大的望远镜必不可少的关键技术。国际上第一个薄镜面主动光学镜面是欧洲南方天文台的新技术望远镜（NTT）的3.5米主镜，第一个拼接镜面主动光学镜面是美国的Keck望远镜的10米主镜。

为了中国能掌握这些技术，由苏定强院士主持在中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所开展了主动光学技术的研究 ，并建立了两个主动光学实验系统。

1． 薄镜面主动光学实验系统

薄镜面主动光学实验系统是在中国科学院天文委员会资助下于1990年至1994年建立的。主镜的口径500mm，厚仅6mm，Shack-Hartmann波面检测系统有161个子孔径，由计算机控制 58个或更少个数的力促动器的主动校正系统等构成。建立了一套波前计算和采用阻尼最小二乘法求解校正力的方法；控制力促动器操作，波前校正精度达到均方根值0.04微米。该系统用四年时间建成，是我国第一个薄镜面主动光学实验系统。

薄镜面主动光学实验系统的创新之处：

（1）在国际上首先在主动校正力的计算中采用阻尼最小二乘法克服测量误差，并取得很好的效果。

（2）在国际上独立的提出一种精确求解波面的积分方法。

（3）设计并磨制出非常有特色的用一块透镜和两组相正交的棱镜条组成的小透镜阵。该小透镜阵有很优秀的像质。

（4）研制出我国第一个Shack-Hartman波面检测仪（或称为“Sharck-Hartmann 波面传感器）

薄镜面主动光学实验系统于1994年获得中国科学院科技进步二等奖。

薄镜面主动光学技术的研究直接的为我国国家重大科学工程项目LAMOST的研制打下了重要的基础。

2． 拼接镜面主动光学实验系统

拼接镜面主动光学实验系统是国家自然科学基金重点项目（1994年至1998年）。主镜是由三块六角形子镜拼接组成。其中每块子镜都是对角线长250mm，曲率半径3000mm的球面镜。用电容式位移传感器作为位置闭环控制系统，由计算机控制精密位移促动器实现共焦或共面。经过课题组成员4年多的艰苦努力，成功地掌握了拼接镜面主动光学的关键技术，建成了我国第一个拼接镜面主动光学实验系统，使我国的主动光学技术又取得了重要的突破。实验结果表明：3块对角线250mm的六角形子镜拼接共焦精度达到0."07。这个系统可获得并保持（在约20分钟的时间内）口径220mm可见光波段（λ＝650nm）的高精度共面象，共面的精度rms值达到λ/28。拼接镜面主动光学实验系统的创新之处：

（1）每个子镜用3个子孔径取样检测共焦。与国际上的拼接镜面每个子镜只用一个子孔径比较，不仅能检测子镜是否共焦，还具有能精确检测子镜的焦点位置的优点。

（2）采用阻尼最小二乘法以及联立求解面形控制方程和共焦方程实现共面控制和维持。

（3）在子镜共面的拼接中采用逐点定标精确标定子镜位相。

（4）巧妙地采用柔性铰链等结构研制出分辨率为4纳米的高精度位移促动器。

拼接镜面主动光学系统于1998年获得中国科学院科技进步二等奖。

拼接镜面主动光学技术的研究为国家重大科学工程项目LAMOST的24块1.1米六角形子镜拼接成5.7米X4.4米的施密特改正板，和37块1.1米六角形子镜拼接成6.5米X6米球面主镜作了关键技术预研，打下了重要的基础。

3.  大口径主动光学实验望远镜

LAMOST是国家重大科学工程项目。它的特点是拥有大口径的同时兼有大视场。在国际上是最大口径的大视场望远镜。在一块大反射镜上同时应用拼接镜面和薄镜面主动光学技术是LAMOST的主要技术创新同时也是主要技术难点。

LAMOST的光学系统是由球面反射镜MB、反射施密特改正板MA和焦面构成的反射施密特系统。这两个大反射镜都是拼接镜面，分别由37块和24块子镜构成。在跟踪观测过程中，MA的面形要随着时间而改变。因此，LAMOST中同时采用了薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学这两种新技术，在世界上还没有先例，是主动光学中的难题和挑战。

由于南京天文光学技术研究所的拼接镜面实验系统已成功的拼接了3块六角形镜面，又考虑到时间和经费问题，LAMOST中的拼接镜面主动光学部分就没有考虑再做实验。但关于薄镜面主动光学部分，虽然在室内的实验装置上是很成功的，但考虑到：在镜面口径、镜厚比、镜面形状、力促动器的面密度、主动校正范围等都有不同；LAMOST中光路长为60米（光轴长40米），还要考虑在这么长的光路上消除气流扰动对成像的影响；另外LAMOST将工作在环境恶劣的室外环境中；要主动校正在跟踪天体的过程中各子镜的重力变形；子镜支撑、力促动器、跟踪控制等多方面还需要在逼近真实工作的条件下进一步优化；于是，苏定强院士和崔向群总工程师提出并由崔向群总工程师主持进行了LAMOST的1:1的子单元的、可以模拟不同子镜的、可以实时跟踪观测天体的室外主动光学实验。

LAMOST主动光学实验系统是由一块施密特改正板MA的子镜及其主动支撑系统和地平式跟踪机架、一块球面主镜MB的子镜及其支撑系统，和焦面及Shack-Hartmann波前检测仪构成。这个实验装置其实就是一架口径约1米的光轴长40米的LAMOST。两块子镜对角线长均为1100mm，厚度分别为25mm和的75mm。模拟不同子镜时，将焦面和MB作相应的移动和转动。与真正的LAMOST望远镜不同的是MA在南，MB在北，而且MB的光轴是水平放置的，没有倾斜25°。

主动光学实验中，用Shack-Hartmann波前检测装置检测波面形状，再根据计算，由计算机控制力促动器实现主动光学的闭环控制子镜的偏轴非球面面形。2002年底薄镜面主动光学的闭环控制成功，并获得2002年国家天文台十大科技进展奖。校正星象最好达80%光能量集中在0.5角秒直径的园内。

模拟LAMOST观测中的情况，在实验中实时跟踪天体，完全根据当时的天体位置计算子镜所需的非球面面形，由此面形计算并由薄镜面主动光学控制系统控制精确产生此面形，从而保持好的像质实现主动光学的开环控制。2004年8月，开环实验成功。

2004年12月30日大口径主动光学实验望远镜装置通过了国家重大科学工程项目工程指挥部的验收和江苏省科技厅的鉴定。专家们认为：大口径主动光学实验望远镜是一架改正镜为1.1米的国际上第一架采用主动光学技术的反射施密特望远镜。利用本实验装置，经过现场测试，在自准直闭环校正及视宁度（FWHM，采用DIMM方法）1.3～3.3角秒的情况下，可保证80％的能量集中在直径为0.39～0.94角秒的圆内；用开环校正对天体进行跟踪观测，在视宁度（FWHM，采用DIMM方法）为2角秒左右的情况下，可保证长时间（2-4小时）80%的能量集中在直径为1.6角秒左右的圆内，获得了高水平和高精度的结果。本装置用六角形薄镜面为主动光学中的可变形镜，发展了相关的主动校正力的定标计算方法，并用主动光学开环控制的技术成功地在薄镜面上产生偏轴非球面，补偿了光学系统的像差，解决了大口径、大视场反射施密特望远镜的关键技术之一，属于国际首创。本装置的实验成功不仅为我国重大科学工程LAMOST的建成打下了可靠的基础；而且使我国掌握了大口径薄镜面主动光学的关键技术；并开创了天文光学中大口径、大视场观测的新局面。