上篇 基础理论和基本结构 3
上篇前言 3
主要符号说明 5
第一章 波动光学原理及其在天文观测中的应用 9
第一部分 波动光学原理 9
1.1 波动光学的基本概念 10
1.1.1 概述 10
1.1.2 术语及其含义 11
1.1.3 基本公式和物理量 13
1.1.4 光波空间状态的数学表示 27
1.2 衍射理论 34
1.2.1 光的传播，惠更斯-菲涅耳原理 34
1.2.2 衍射成像的近似计算公式，菲涅耳近似和夫琅禾费近似 35
1.2.3 几点讨论 38
1.2.4 菲涅耳-基尔霍夫公式的扼要推导 42
1.3 “空光学系统”衍射成像原理 47
1.3.1 波动光学的“物像”关系 47
1.3.2 点光源的“像”，点扩展函数PSF 48
1.3.3 衍射光线的空间频率 54
1.3.4 点扩展函数的空间频率 56
1.3.5 几点讨论 62
1.3.6 面源物体的衍射像 66
1.4 实际光学系统的衍射成像 67
1.4.1 理想成像光路的透过率 67
1.4.2 理想抛物面反射望远镜的衍射场计算 68
1.4.3 波像差影响 70
1.5 基于空间频率特性的物像关系 70
1.5.1 物像与点扩展函数的关系 70
1.5.2 相干传递函数 73
1.5.3 波动光学物像关系小结 75
1.5.4 光学传递函数（OTF） 78
1.5.5 光学传递函数的其他表示形式 81
1.5.6 关于光学传递函数的几点讨论 89
1.5.7 成像关系及函数关系公式汇总 91
第二部分 波动光学在天文观测中的应用 95
1.6 理想望远镜系统的点扩展函数和理论分辨率 95
1.6.1 理想望远镜系统无中心挡光时的点扩展函数 95
1.6.2 理论分辨率 96
1.6.3 组合光瞳的衍射像 98
1.6.4 望远镜观测面源目标星的情况 100
1.7 望远镜的光学像质评价 102
1.7.1 斯特尔比（Strehl ratio）及其近似计算 102
1.7.2 波面误差及其泽尼克（Zernike）多项式拟合 104
1.7.3 完善光路、准完善光路及其判断准则 106
1.7.4 光学像质评价方法 106
1.8 天文光干涉 108
1.8.1 光干涉与夫琅禾费衍射的关系 108
1.8.2 单镜双孔干涉 109
1.8.3 一维排列的多光瞳干涉 115
1.8.4 空间频率采样 119
1.8.5 现代恒星干涉仪 121
1.8.6 在光瞳面上的采样 128
1.9 光辐射传播方程和波前相位复原 133
1.9.1 近轴光辐射传播方程 134
1.9.2 波前相位复原 138
第二章 天球坐标系及其转换 141
2.1 天球坐标系 141
2.1.1 天球坐标系的意义 141
2.1.2 两个基本几何要素 142
2.1.3 地平坐标系 143
2.1.4 赤道坐标系 144
2.1.5 水平坐标系 145
2.2 三种坐标系的转换关系公式的推导 146
2.2.1 具有一条公共轴的直角坐标转换公式 146
2.2.2 地平坐标系和赤道坐标系 147
2.2.3 地平坐标系和水平坐标系 149
2.2.4 赤道坐标系和水平坐标系 151
2.3 从赤道坐标到地平坐标转换公式的深化 153
2.3.1 角速度和角加速度的转换公式的推导 153
2.3.2 望远镜视场中星位角P的变化 156
2.4 用直接投影法推导公式 159
2.5 不同赤纬的星的运行规律 161
2.5.1 南北方位和地平上下的判断 161
2.5.2 方位角A的修正计算 163
2.6 地平式望远镜的速度盲区 164
2.6.1 盲区的确定 164
2.6.2 盲区附近方位速度和方位加速度等高线 166
第三章 两轴望远镜指向误差分析 167
3.1 用直角坐标系表示望远镜轴系 168
3.1.1 望远镜的轴系和绝对（天文）坐标系的关系 168
3.1.2 由望远镜轴系误差引起的指向误差 168
3.1.3 望远镜的轴系误差 169
3.2 直角坐标转换法则 169
3.3 水平式望远镜的指向误差 171
3.3.1 用坐标转换方法求指向误差的原理 171
3.3.2 坐标转换过程及光轴在最后局部坐标中的位置 172
3.3.3 求光轴在绝对坐标中的位置 176
3.3.4 一阶近似解 178
3.4 用球面坐标表达的指向误差 179
3.4.1 球面坐标与直角坐标的转换 179
3.4.2 已知轴系误差，进行指向误差的改正 179
3.4.3 用观测结果求望远镜轴系误差 181
3.4.4 根据观测结果调整望远镜经轴方向 182
第四章 望远镜机架形式 184
4.1 两轴望远镜机架 184
4.1.1 机架形式分类 184
4.1.2 各机架类型的特点 185
4.1.3 第二轴抬高的改进设计 188
4.1.4 机械设计问题 188
4.2 望远镜轴系转动对像场的影响 190
4.2.1 像场的方向和位置 190
4.2.2 一般分析 191
4.2.3 北天极方向相对于仪器北的转动 193
4.2.4 光学元件相对转动对仪器北方向的影响 193
4.2.5 两因素综合后的像场旋转 196
4.2.6 像场旋转中心与光学视场中心一致性的调整 196
4.3 定日镜和定天镜 198
4.3.1 定日镜 199
4.3.2 定天镜 200
4.4 特殊的望远镜机架形式 207
4.4.1 单轴望远镜 207
4.4.2 球体望远镜 207
4.4.3 平行轴望远镜 208
4.4.4 倾斜第二轴的采用 209
4.5 重力变形固定不变的二镜系统 209
4.5.1 结构原理 209
4.5.2 实现对目标跟踪的可能性 211
第五章 结构力学和有限元原理 214
5.1 常用构件的静力变形公式摘要 214
5.1.1 简单构件受力变形和应力 214
5.1.2 圆形薄板弯曲 215
5.1.3 矩形薄板弯曲 218
5.1.4 接触变形和应力 219
5.1.5 压杆保持稳定的临界压力 221
5.1.6 简单弹性系统的自振频率 221
5.2 结构力学的一些基本方法和基本问题 223
5.2.1 求简单杆系变形的方法 223
5.2.2 零件设计中的一些力学问题 223
5.2.3 片簧设计参数计算 225
5.2.4 对称结构的刚度合成 226
5.3 有限元法原理及其在结构变形分析中的应用 231
5.3.1 有限元法概述 231
5.3.2 有限元法的基本思路和步骤 232
5.3.3 杆系结构的有限元分析 233
5.3.4 连续弹性体的有限元法 254
5.4 结构动力学 269
5.4.1 拉普拉斯变换及有关公式 269
5.4.2 单自由度系统的动力学分析 270
5.4.3 激振力的传递和隔振原理 279
5.4.4 单自由度模型的地震响应 281
5.4.5 积分变换的讨论和单自由度系统公式汇总 284
5.4.6 用有限元法求结构自振频率和振型 287
5.4.7 用有限元法和振型组合法进行结构动力学分析 294
5.4.8 随机振动问题 299
5.5 有限元法在结构的温度场和热变形问题中的应用 303
5.5.1 望远镜结构的温度场和热变形问题 303
5.5.2 有限元法用于结构温度场问题 303
5.5.3 有限元法用于结构热变形分析 308
5.6 有限元建模中的一些问题 312
5.6.1 刚体自由度和选择约束的关系 312
5.6.2 对称和反对称的利用 314
5.6.3 避免刚度矩阵的主对角线元素为零的问题 315
5.6.4 特殊单元的运用 316
5.7 结构变形与望远镜成像的关系 317
5.7.1 结构变形对望远镜成像的影响 317
5.7.2 结构变形引起光轴方向变化的归算 318
第六章 桁架式镜筒及其结构分析 320
6.1 概述 320
6.2 桁架式镜筒的设计要求 320
6.3 平移桁架原理 321
6.3.1 反对称力学模型 321
6.3.2 纵向位移为0的非对称结构 321
6.3.3 平移结构 322
6.4 塞勒里尔（Serrurier）桁架 322
6.4.1 简介 322
6.4.2 结构分析 322
6.4.3 典型望远镜的塞勒里尔桁架镜筒 328
6.4.4 有关塞勒里尔桁架设计的几个问题 329
6.5 多层桁架镜筒 334
6.5.1 单层桁架在大型望远镜应用的局限性 334
6.5.2 典型大望远镜所采用的多层桁架 334
6.5.3 规律多层桁架镜筒 335
第七章 主镜结构及支承 338
7.1 主镜面形允差 338
7.1.1 决定允差的依据 338
7.1.2 主镜面形允差 339
7.1.3 面形质量评价函数 339
7.2 主镜结构及其支承设计的一些原则问题 343
7.2.1 主镜结构及其支承设计的任务 343
7.2.2 主镜结构设计的一些原则问题 343
7.2.3 主镜支承设计的一些原则问题 343
7.3 传统圆柱盘主镜的支承 348
7.3.1 由圆板理论估算主镜变形 348
7.3.2 传统主镜支承结构 352
7.4 主镜支承技术的发展 356
7.4.1 望远镜技术发展对主镜结构提出的要求 356
7.4.2 镜坯结构的发展 356
7.4.3 轻量化主镜 357
第八章 蜂窝镜结构 363
8.1 筋板排列基本形式 363
8.2 筋板密度 364
8.3 夹心板的等效弯曲刚度分析 365
8.3.1 假设条件 365
8.3.2 分析思路 366
8.3.3 弹性薄板弯矩和应力的关系 366
8.3.4 只有x方向筋板的夹心板 367
8.3.5 正方形单元夹心板 368
8.3.6 正三角形单元夹心板 368
8.3.7 正六边形单元夹心板 369
8.3.8 蜂窝夹心板等效厚度公式汇总 370
8.4 轻量化程度 371
8.5 面板最优厚度t0 374
8.6 筋间面板变形 375
8.7 蜂窝镜结构参数的优化步骤 376
8.8 制作工艺 376
第九章 结构优化 378
9.1 结构优化概述 378
9.1.1 望远镜结构优化的内容 378
9.1.2 结构优化方法 378
9.1.3 结构优化与有限元法 379
9.1.4 结构优化与通用结构分析软件 379
9.1.5 计算机优化与人工干预 379
9.1.6 优化问题的构成要素及优化问题形式 379
9.1.7 主要符号的意义 380
9.2 参数影响矩阵 381
9.2.1 公式推导 381
9.2.2 刚度敏感度和载荷敏感度 382
9.3 用数学规划法进行抛物面射电天线结构优化的若干方法 383
9.3.1 最佳吻合抛物面 383
9.3.2 以变形平方和为目标函数，以体积不变为约束的优化问题 389
9.3.3 以“保形”为约束条件，以设计变量变化最小为目标函数的天线结构优化（冯·霍尔纳方法） 391
9.4 准则法 394
9.4.1 参数影响矩阵 394
9.4.2 以表面点轴向位移平方和为目标函数，以重量（体积）不变为约束的天线结构优化（王生洪方法） 398
9.5 某些直接解位移方程的结构优化方法 399
9.5.1 非线性函数降阶近似 400
9.5.2 直接解位移方程求目标函数对设计变量的差分 400
9.5.3 一阶近似后转化为线性规划问题 401
9.5.4 最速下降法 402
9.5.5 梯度投影法 404
9.5.6 牛顿法 406
9.6 普查法 407
第十章 六杆机构 408
10.1 六杆机构的优越性 408
10.2 六杆机构理论分析概述 409
10.2.1 六杆机构的构形 409
10.2.2 六杆机构的驱动方式 410
10.2.3 位移分析，动平台结点位置与刚体位移的关系 410
10.2.4 动平台结点位移的近似表达式 414
10.2.5 速度分析 415
10.2.6 力学分析 416
10.3 六结点杆长控制六杆机构 417
10.3.1 机构特点 417
10.3.2 位移关系分析 418
10.4 轴向移动控制六杆机构 422
10.4.1 结构原理 422
10.4.2 位移关系 422
10.3.3 小位移条件下的近似位移关系 423
10.5 横向移动控制六杆机构 426
10.5.1 构形和特点 426
10.5.2 垂向支承设计及其位移关系分析 427
10.5.3 关于一般设计的几点讨论 429
10.6 六杆机构优化设计的任务及初始结构考虑 430
10.6.1 六杆机构优化设计的任务 430
10.6.2 支承三角形概念的应用 431
10.7 用实测法求雅可比矩阵 437
10.8 小位移三结点平台的技术实施 438
10.8.1 公共铰链结构方案 438
10.8.2 六结点动平台按三结点动平台设计 438
第十一章 自动导星方法 439
11.1 望远镜的自动导星 439
11.2 点源目标像的位置探测 439
11.2.1 机械调制方法 440
11.2.2 四棱体反射镜 440
11.2.3 四象限光电管 440
11.3 干涉测光导星（波前倾斜探测） 441
11.4 摄像器件星像位置探测 441
11.5 太阳望远镜的太阳像（面源目标）的位置探测 442
11.5.1 全日面像导星 442
11.5.2 相关跟踪（导星） 444
第十二章 主动光学基本原理 447
12.1 概述 447
12.2 薄镜面主动光学 448
12.2.1 波前检测 448
12.2.2 镜面校正力的计算 451
12.2.3 用直测法建立刚度矩阵 455
12.2.4 薄镜面主动光学校正能力的限度 456
12.3 拼镜面主动光学 456
12.3.1 由位移传感器的读数求促动器的位移量 456
12.3.2 共焦检测和调整 457
12.3.3 拼镜主动光学的共面检测方法 460
上篇参考文献 468
下篇 结构设计和新一代望远镜 473
下篇前言 473
第十三章 天文观测与天文望远镜 474
13.1 天文观测 474
13.2 天文望远镜的发展历史 475
13.3 天文学对光学天文望远镜的基本要求 479
13.3.1 天文望远镜的分辨率 479
13.3.2 天文望远镜的有效视场和综合效率 481
13.3.3 天文光学望远镜观测星等 482
13.3.4 大气窗口和台址的选择 485
第十四章 天文望远镜的设计方法 487
14.1 现代天文仪器设计过程 487
14.1.1 科学目标 487
14.1.2 功能的抽象化 487
14.1.3 明确设计技术要求和约束条件（Specifications,Constraints） 487
14.1.4 设计任务书内容 488
14.1.5 技术条件依据 488
14.1.6 调研工作 489
14.1.7 初步设计阶段（Preliminary Design） 489
14.1.8 可行性研究阶段（Feasibility Study） 491
14.1.9 详细设计或最终设计阶段（Detailed Design or Finalizing Design） 492
14.1.10 鉴定和文件归档（Evaluating and Documenting the Design） 493
14.2 天文仪器设计过程阶段和工作框图 493
14.3 设计采用黑箱法 494
14.4 设计前应明确的各方面 495
14.5 结构设计遵守的基本原则 495
14.6 应遵循结构设计的一般原理 496
第十五章 天文望远镜典型的光路系统简述 498
15.1 主焦点系统 498
15.2 牛顿系统 498
15.3 卡塞格林和格利高里系统 499
15.4 耐施密斯系统 499
15.5 折轴系统 500
15.6 施密特系统 501
15.7 普尔邦克三镜系统 501
第十六章 天文望远镜的典型结构设计 502
16.1 副镜支承及调节机构 502
16.2 副镜圈和叶片 503
16.3 调焦筒和平衡机构 504
16.4 轴承和轴系结构 506
16.5 镜盖和电缆链 509
16.6 平衡机构 510
16.7 消隙机构 512
16.8 驱动系统 514
16.8.1 驱动系统的作用和技术要求 514
16.8.2 驱动系统的组成 515
16.8.3 光学望远镜驱动框图 516
16.8.4 动力机的选择 516
16.8.5 传动机构的选择 517
16.8.6 测量元件的选用 520
16.8.7 电控系统的选择 553
第十七章 望远镜的装配和调试 555
17.1 望远镜轴系位置的调整 555
17.1.1 轴系要求 555
17.1.2 标定中心点 555
17.1.3 校赤经与赤纬垂直 556
17.1.4 校镜筒与赤纬轴垂直 557
17.2 主镜支撑调整 557
17.3 各轴系的校平衡 558
17.3.1 平衡调整和望远镜机架型式的关系 558
17.3.2 赤道式望远镜的平衡调整 559
17.4 天文望远镜光学装校 561
17.5 现场安装 573
17.6 天文望远镜调试 574
第十八章 圆顶与围档 577
18.1 圆顶与围档设计的技术要求 577
18.2 传统圆顶方案及其缺陷 577
18.3 目前国际上各种圆顶方案 579
18.4 有关圆顶挡风作用的研究 584
18.5 有关热控制的研究 585
18.6 有关改善圆顶附近视宁度的研究 587
18.7 特大望远镜圆顶的研究 588
18.8 光学天文圆顶和围档的环境设计要求 589
第十九章 红外望远镜 591
19.1 红外天文观测的意义和特点 591
19.2 红外望远镜的结构特点 592
第二十章 空间光学望远镜 596
20.1 空间天文观测的优势 596
20.2 哈勃空间望远镜 596
20.2.1 哈勃空间望远镜（HST）总体简介 597
20.2.2 哈勃空间望远镜附属的科学仪器 600
20.2.3 哈勃空间望远镜对天文观测的贡献 602
20.3 天体测量空间望远镜 602
20.4 下一代空间望远镜 603
第二十一章 世界上近代大型光学望远镜简介 607
21.1 欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT） 607
21.2 凯克望远镜（Keck） 610
21.3 光谱巡天望远镜（HET） 613
21.4 双子望远镜（GEMINI） 614
21.5 昴星团望远镜（SUBARU） 616
21.6 大双筒望远镜（LBT） 619
21.7 大麦哲伦望远镜 620
21.8 赫歇尔望远镜 621
第二十二章 中国的代表性望远镜 623
22.1 2.16m光学天文望远镜 623
22.1.1 望远镜结构 624
22.1.2 主要技术难点 626
22.2 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST） 629
22.2.1 总体技术指标 631
22.2.2 关键技术 631
22.2.3 主要结构 632
22.3 南极巡天望远镜（AST3） 648
22.3.1 镜筒 649
22.3.2 机架 650
22.3.3 圆顶 651
22.3.4 地基和支撑塔 652
22.3.5 运输 652
22.3.6 国内安装 652
22.3.7 冰穹A现场装配 653
22.4 目前我国正在研制中的天文望远镜简介 653
下篇参考文献 657