球面拼接镜的相对曲率半径测量

　　1　引　言

　　随着天文和航天科学的发展,科学家们迫切需要更大口径的天文望远镜来观测更遥远、更暗、更小的星体或飞行器。下一代大型地基和空基望远镜的尺寸都有很大增加,但由于毛坯材料、制造、运输和(或)发射火箭的限制,这些大望远镜的主镜不可能是一块整镜,而采用由小块的子镜拼接形成大尺寸主镜的解决方案被认为是最有前景的一种选择[1]。目前,地基大口径望远镜采用拼接形式的有美国的KeckⅠ、Ⅱ望远镜[2]、HET(Hobby-Eberly Telescopy)望远镜[3]、南非的SALT(Southern African Large Telescopy)望远镜[4]和西班牙的GTC(Gran Telescopio Canar-ias)望远镜[5],这些望远镜的主镜口径都在10 m左右;正在建造的空基望远镜JWST (JamesWebb Space Telescopy)[6]主镜也是采用18块子镜拼接的形式,主镜口径达6.5 m。

　　为了使各拼接子镜能够拼成一个连续的曲面,要求各子镜的曲率半径完全匹配,这是因为各子镜的曲率半径误差会对望远镜系统性能产生很大的影响,一般要求子镜之间的曲率半径差在几十微米之内。曲率半径误差的匹配对光学加工提出了很高的要求,因此,使用传统的方法测量子镜之间的相对曲率半径差很难达到高的精度。文献[7]中介绍了一种方法,测量相对曲率半径差可以达到10μm的精度。

　　本文分析了子镜之间的曲率半径偏差对系统的影响,提出了一种利用Shack-Hartmann传感器和高精度球径仪测量子镜之间的相对曲率半径偏差的方法,测量精度可达到1μm。本文还构建了一个实验系统,用该方法对3块设计曲率半径为2 000 mm的球面拼接子镜的曲率半径差进行了测量。

　　2　曲率半径误差对系统性能的影响

　　对于单块的光学主镜,一定范围之内的曲率半径误差影响不大,因为它主要会造成离焦误差,这可以通过移动系统中的其它部件(如焦面仪器)来去除影响。

　　对于拼接主镜,如果只是要求各子镜之间共焦(如作光谱测量),就是将各个子镜球心对准,消除子镜之间相互倾斜引起的各种像差,那么子镜之间的相对曲率半径公差是可以放宽的,如LAMOST的球面镜MB,曲率半径为40 m,各子镜和标准参考曲率半径的偏差为±1.5 mm。如果要求拼接子镜之间实现共相位,即实现拼接后的镜面能够达到等口径的单镜面成像分辨率,那么理论上就要求子镜之间的曲率半径相同。文献[7]中用斯特涅尔比(Strehl ratio)作为评价标准,分析了子镜的曲率半径误差对斯特涅尔比的影响。文献[8]中分析了子镜之间的曲率半径差对系统成像质量造成的影响,并提出了一种补偿方法。

　　本文以子镜之间的共相位为目的,以3块球面拼接镜为对象,分析了子镜之间的相对曲率半径差对系统分辨率的影响,从实际加工能力考虑给出了曲率半径公差指标。