大口径望远镜三镜结构设计及优化

　　天文望远镜是科技工作者探索宇宙的主要工具,随着科技的发展,对望远镜系统成像质量提出了更高的要求[1].在光学系统为同轴反射式卡塞格林系统的地基光电望远镜中,经主镜反射到次镜的光线经次镜反射汇集到卡式焦点,在卡式焦点之前经三镜将光线反射到耐式焦点,再经过库德光路到达终端设备.三镜安装在主镜之前起到转折光路并切换光路到不同终端设备的作用,因此三镜镜面面形精度直接关系着望远镜光学系统成像质量,必须对其进行详细的结构设计和优化分析.

　　1　三镜设计

　　1.1　三镜镜体尺寸的确定

　　根据舒伯特(Schubert)给出的公式[2],可以根据一个椭圆的长轴和短轴来表示一束对称光束在一个倾斜反射镜的焦点轮廓,而该椭圆的方向和位置取决于光束的光轴在表面上的焦点.将三镜设计成椭圆形能够最大限度地减小光束遮拦,原理如图1.

　　式(1)至式(6)中:W是光束截面在反射镜与光轴交点处的宽度;D是光束在基准面处的直径,基准面距离反射镜与光轴交点处是L并且垂直与光轴;α是反射后最边缘离轴光线的发散角;E是光束截面的上边缘到反射镜与光轴交点的距离;F是光束截面的下边缘到反射镜与光轴交点的距离;A是椭圆的长轴;G是光束截面中心偏离反射镜与光轴交点的距离;B是椭圆的短轴.由于三镜所处光路视场很小(2′),光束的发散角相对来说就很小,进行简化计算,α和G约等于零.针对2 m级地基大口径光电望远镜系统,通过理论计算并考虑安装、光束移动、简化计算等因素,三镜镜面的实际尺寸比理论计算稍大,定为椭圆长、短轴分别为340,240 mm.

　　1.2　镜体材料的确定

　　反射镜主要用玻璃态材料和金属材料.玻璃材料包括零膨胀玻璃陶瓷如德国的Zerodur、含钛的超低膨胀石英ULE、熔石英FS、硼硅酸盐玻璃、光学玻璃K9及金属材料Be和Al等.表1是典型反射镜材料的属性参数。

　　由表1知,微晶玻璃热膨胀系数小且有良好的抛光性能,相对于SiC更易于加工,因此三镜镜体材料选定为Zerodur.

　　1.3　镜体轻量化结构形式确定

　　反射镜轻量化镜体结构形式有背部开式、背部半封闭式和对称夹心层结构.按制作轻量化反射镜体的技术途径分类,轻量化技术主要分为下列3类:浇铸成型法、高温或熔接物封接法和机械切削减重法.轻量化孔结构主要有三角形、四边形、圆形、六边形、扇形和组合形等.国内外对反射镜轻量化孔结构形式进行了大量的研究:扇形主要用于带有中心孔的反射镜;圆形孔是六边形孔的简化且有质量分布不均匀的缺点;三角形轻量化孔在与六边形及四边形孔保持相同几何尺寸的情况下,前者的面形精度要优于后两者,且三角形孔轻量化结构的刚性最高[3-6].