大口径望远镜波像差的外场检验方法

　　0　引言

　　望远镜的口径越大，集光能力越强、空间分辨率越高，因此研制大孔径望远镜，在空间科学和国防军事等领域具有重大意义.随着光学制造技术的发展，望远镜的口径越来越大，已经由2～4m级发展到了8～10m级，甚至更大[1].而随着望远镜口径的增大，其光学系统的成像质量检测也更加困难.

　　目前望远镜的检测方法主要是使用标准平面反射镜和干涉仪通过自准直方法进行波像差检验;或者使用平行光管进行分辨率检验[2-3].但这两种方法都需要与被测系统口径相同或更大、准确度更高的标准光学设备，这对于直径在m级的大口径望远镜来说是很难实现的.另外，望远镜在外场使用时，由于运输过程中的震动、环境温度等的影响，可能使其性能发生变化，与实验室内装调检测的结果不符，因此对望远镜的外场波像差检验是必要的.

　　早期的望远镜外场检验主要是通过传统的哈特曼检验方法，测量望远镜的能力集中度或点图[4]，无法定量给出系统的像差形式和量值.而剪切干涉仪、泰曼-格林干涉仪等波前测量设备由于结构复杂、光能利用率低等缺点，应用并不广泛.

　　Shack-Hartmann(S-H)方法不需要大口径标准元件，且具有结构简单紧凑、抗环境扰动、实时测量等优点，适于大口径望远镜的外场检验，国内已经有这方面检测的构想和实例[5-6]，但目前还没有模拟实际使用情况、对星进行系统波像差定量检验的报道.

　　本文通过一套自行研制的高探测能力S-H传感器，在外场环境下，模拟实际使用情况，对口径1m、焦距11m的望远镜不同俯仰角下系统波像差进行了测试.得出了系统存在的主要像差形式和量值，与通过焦面前后星点像进行星点检验的结果相符合.

　　1　S-H传感器研制

　　为适应望远镜系统检测的需要，本文根据光路结构，研制一套基于高灵敏度相机DU888的S-H波前传感器，如图1，传感器指标如表1.

　　S-H传感器的主要指标有动态范围、灵敏度、测量准确度、探测速度及探测能力等[7-8]，在天文望远镜检验中，采用星光作为光源，因此对传感器探测能力的要求较高，另外对测量准确度也有一定的要求，下面分别进行讨论.

　　1.1　探测能力分析

　　为了图像的准确提取，要保证每个含有目标的像元获得的信噪比大于或等于6，如图2.

式中Ke为处理电路引起的附加因子，Q为CCD量子效率，nD为每象元每秒暗电流电子数，nr为CCD读出噪音均方值;s为单个象元在单帧积分时间内获取的光电子数.设Mv为目标星等，0 Mv在大气层外的光子流量密度为(波段范围450～750nm)，则：