基于Shack-Hartmann的子孔径拼接波前检验技术

　　0 引 言

　　望远镜的成像质量是望远镜的关键参数。在一个典型望远镜的工程周期中，几乎每个阶段(概念研究阶段，预分析，工程定义，设计制造，试运行，运行与维护)都涉及到成像质量和检测[1]。在小口径(小于1 m)

　　望远镜的制造中，基于激光干涉的自准直检测方法是光学车间中进行整个望远镜检验的重要方法。在望远镜口径增大时，这样的检测需要真空室、隔振台等严格的条件和短曝光的方法来减小空气扰动或振动的影响。此外，制造和望远镜口径等大的反射镜成本高，技术困难。大多数地基大口径望远镜的检测都不再使用反射镜自准直的方式进行波像差的检测，而是通过对星成像的方式，在测量结果分析的时候考虑大气的影响[2-3]。但是，一些应用中需要检测望远镜水平指向时的波前差情况[4]，对星成像的方式无法实现这一点，这时，尝试采用受空气扰动和振动影响较小的 Shack-Hartmann 波前探测器，在自准直光路中通过移动小口径反射镜代替大的标准平面镜，即子孔径拼接检测技术(SAT)，实现对大口径望远镜的波像差的光学车间检测。

　　1 Shack-Hartmann 波前探测器下的子孔径拼接方法

　　Shack-Hartmann 波前探测器由亚利桑那大学光学中心(OSC)发明，利用微透镜阵列对入射波前斜率采样来重构出整个波前。相对于干涉仪来说，其整个系统结构简单紧凑，对环境(温度改变，振动等)有较强的抗性;重构的波前基于对时间积分的 Hartmann 图上亮点的位置，可大大降低空气扰动的影响。并且随着当代大阵列、高衍射率微透镜阵列和高灵敏度、高量子效率、低噪声的新型高性能 CCD 的应用，Shack-Hartmann 波前传感器的精度不断提高[5]。

　　子孔径拼接检测技术是目前较为成熟的一种检测技术，在大口径平面，非球面，自由曲面检测领域得到深入的研究和广泛的应用。其基本原理是，按照一定的规划和设计，将全口径波前或面型分为若干个可容易检测的部分，再将每部分的检测结果数学上拼接起来，得到完整的检验结果。追踪 SAT 发展表明[6-7]，要想获得精确的检测结果，需要做到 a) 子孔径的精确定位;b) 当前子孔径上波前的精确获得;c) 合理的算法。

　　1.1 拼接图设计和子孔径定位

　　SAT 拼接图设计最基本的要求是所有的子孔径的叠加能够覆盖全孔径，并且每个子孔径必须存在一定的重叠区域，使得可以在重叠区域上找到 3 个(或 4 个，跟算法有关，见 1.3 节)不在同一直线上的点来实现拼接。在望远镜光学系统波前的自准检验中，子孔径的大小受限于标准反射镜的面积，是确定的。当各个子孔径间有较大的重叠面积时，组成全口径的子孔径数目增多，完成测量的周期变长，环境影响的累积效应会造成误差变大;当各个子孔径重叠面积较小时，子孔径间波前位相关联程度降低，拼接算法引入的误差变大;因而，在进行拼接图设计时需要参考实际的情况。一般说来，使相邻子孔径的边缘位于当前子孔径的中心，是个适中的选择，此时，重叠面积达到 39.10%。SAT 中子孔径的移动是通过机械结构实现的，其定位精度受限于机械精度。在提高定位精度的方法中[8]，标记点法因其简单可靠的特点得到广泛的应用。根据自准直光路的特点，我们设计了具有透射孔的光阑这种新方法来实现子孔径的标记和定位，它放松了对机械移动精度的限制，其原理如图1 所示。