Φ1.2mF/1.5抛物面主镜补偿器

　　1　引　言

　　大口径高陡度非球面主镜具有缩短系统长度、减轻系统质量、提高系统成像质量等优点,因此在大口径天文望远镜、空间光学系统等领域得到日益广泛的应用。然而由于主镜的非球面度随相对口径的三次方增加,故其加工检测比较困难。补偿器零检验是大口径非球面主镜检验的主要手段,许多大口径主镜,包括MMT6.5F/1.25m主镜、VLT8.4F/1.8主镜,以及LBT 8.2F/1.14m主镜,几乎都是用补偿器检验完成的[1-4]。通过补偿器可用干涉仪、哈特曼传感仪以及刀口仪对主镜面形进行定量或半定量检验。

　　Φ1.2 mF/1.5抛物面主镜的非球面度为0.087 mm,面形要求为0.033λ(RMS)。本文详细介绍了主镜补偿检验所用补偿器的设计、加工、标校及最终主镜面形检测的情况,特别是补偿器使用前质量的确认,为提高补偿检验的可靠性奠定了基础。

　　2　补偿器的设计

　　2.1　补偿器结构的确定

　　在大口径高陡度非球面主镜的补偿检验中,主要采用Offner补偿器。常用的Offner补偿器通常采用两块平凸透镜,这种组合尽管工艺性好,但在大口径高陡度非球面主镜的检验中补偿效果不好[5];若改用平行光入射,虽可以避免物点位置确定的问题,但由于补偿镜是平凸透镜,且平面对准平行光容易引起严重的鬼像干扰[6]。考虑上述情况,本文对Φ1.2 mF/1.5主镜的补偿器采用了平凸补偿镜加双凸场镜的结构,这样既可以克服鬼像问题,又能很好地补偿主镜的法线像差。

　　图1为补偿检验光路图。补偿器设计过程中,首先根据主镜参数及三级像差理论确定补偿器的初始结构,然后进行优化。值得注意的是,在优化过程中由于主镜相对孔径大,高阶球差的影响很大,优化解往往与初始解偏离很大,且处于严重非线性解区域,因此想完全依靠计算机获得补偿效果比较理想的结构通常比较困难。此时,最好利用主镜法线模拟面将自准光路转化为单通过光路,减少约束条件,进行优化[7],并且进行一定的人工干预。图2为补偿器优化后的结果,补偿剩余波面误差<0.000 3λ(RMS),几乎完全补偿了主镜的法线像差。

　　2.2　误差分析

　　确定补偿器结构后,需进行误差分析,以确定结构对加工误差是否敏感,能否满足面形检测要求。分析过程中,考虑到实际检测过程中的调整和主镜最终的使用情况,将主镜的位置和偏转作为微小离焦、倾斜和慧差的补偿因子。即当参数的误差引起轴对称性误差时,用主镜的轴向移动和圆锥系数进行补偿;而当引起非轴对称误差时,则用主镜的倾斜和横向移动进行补偿。

　　用平方和平方根(RSS)误差合成原则分析表明,在不包括主镜顶点半径误差时,圆锥系数的误差不超过0.040 1%;包括则不超过0.048 5%;波面补偿误差不超过0.036 1λ(RMS),这相当于补偿器产生的标准抛物面的面形误差<0.018 2λ(RMS),能够满足面形检测的需要。公差要求尽管比较严格,但也在现有加工、检测能力之内。详细误差分析见表1。