主动光学技术在制造标准大反射镜中的应用

　　1　引　言

　　标准大型反射镜,如口径达1m或1m以上的标准大平面反射镜和凹球面镜是检验高精度大口径非球面光学零件面形误差的不可缺少的重要辅助工具。这种高精度大口径标准镜面不仅其加工难度很大,而且即使加工达到很高的面形精度,但在实际使用中由于受重力和装夹应力的影响,仍很难保证标准镜面具有足够高的面形精度。例如同一块标准大反射镜,在重力状态下,仅仅因为其安装状态的不同(例如由立式改为卧式)所造成的面形变化往往会远远超过镜面面形的允差要求。这个问题随着标准镜面尺寸的加大,越来越成为制造高精度标准大反射镜的症结。

　　在标准大反射镜背面的不同部位处设置一定数量的力作动器阵列,用改变各作动器作用力的大小和方向来微量改变镜面面形,达到控制和改善标准镜面面形的目的,使标准大反射镜成为一种主动式反射镜。文中介绍了力作动器的结构、工作原理及其响应函数的测定方法,主动反射镜的结构及其工作原理,并给出了较全面的实验结果。理论分析和实验结果表明此技术有良好的应用前景。

　　2　主动反射镜的工作原理

　　在自适应光学系统中,为了实时校正大气湍流等因素造成的光学波前位相畸变,作为波前位相畸变校正器件的各种形式的变形反射镜得到了广泛的应用[1]。由于自适应光学系统对波前校正器的时间带宽和动态范围都有较严格的要求,例如时间带宽通常应达到kHz量级,动态范围达到若干个波长,这些要求限制了变形镜通光口径的加大,通常限于Φ100mm以内。考虑到大型标准反射镜的面形加工误差或重力变形都是一种微量的、固定的或误差的变化极其缓慢,因此可以把大反射镜直接做成其面形可以缓慢受控微量变化的主动式反射镜的形式。为此可在大反射镜的背面设置一组作动器阵列,反射镜通过作动器阵列与刚性良好的基板相联接。通过调整各个作动器对反射镜施加的作用力(拉力或压力)控制反射镜的面形。例如美国柯达公司为发展下一代空间望远镜(NGST)技术而研制的Φ1·5m蜂窝型主动反射镜背面设有16个作动器,可校正镜面曲率半径和低频面形误差。美国BF Goodrich公司研制的Φ1·3m蜂窝型熔融石英反射镜的背面设有37个作动器,除了可以校正曲率半径和低频面形误差外,还可以校正中频面形误差[2]。

　　2.1　作动器

　　作动器的类型和工作原理因对其时间带宽和动态范围要求的不同可以有很大的差别,自适应光学中用于变形反射镜上的作动器大多是利用逆压电效应原理工作的压电陶瓷堆式作动器,它具有时间带宽宽、动态范围大的明显优点,但也有制造成本高和容易损坏的缺点。我们研制了一种易于制作、成本较低、不易损坏的机械式的作动器,其结构原理如图1所示。其中,通过旋转测微螺杆可以向被控反射镜的背面施加压力或拉力,并可调节作用力的大小;波纹管作为力缓冲器可以缓冲测微螺杆的作用力;拉压传感器可以直接实时测定在反射镜背面所受作用力的大小,其测量范围为±2000g(“+”代表拉力,“—”代表压力)。图2所示是实际测出的某一拉压传感器的响应曲线.