主次镜系统的计算机辅助装调

　　1　引　言

　　光学系统的对心装调是一项富有挑战性的工作,装调过程的好坏对成像质量、对准精度都有很大的影响。对于较大口径的望远镜系统,其加工、安装和调整[1]是一个相当复杂的过程,近年来国内已针对相应的系统和调整精度进行了一些关于误差分配的相关研究[2-3]。光学像差中和装调关系最紧密的分别为彗差、像散和球差。其中球差项除与二次常数有关系外仅和主次镜之间的距离有直接关系,消除装调产生的球差项即可保证主次镜之间的轴向关系;而消除轴上彗差可实现光轴的初步重合;对于较大视场角的系统,随视场角的增大,像散会逐渐增大,这就要求进行离轴检测。计算机辅助装调用于完成复杂或者较难通过手工操作实现的光学系统的装调,对该技术的研究对于指导装调过程、光学系统精调以及空间系统的远程自动控制有着重要的意义。

　　对望远镜系统来说,成像好坏是衡量系统质量的主要问题。在装调过程中,各块镜子位置的差异易使光学系统像质变坏。采用计算机辅助装调[4-5]的目的就是根据实测光学系统的性能,应用计算机技术来确定光学系统各失调量的大小和方向以便指导装调过程,使每次调整后的系统更接近于理论的光学系统,最终满足设计要求。在计算机辅助装调方面,最常用的是应用奇异值分解建立灵敏度表[6]的方法,本文亦采用了这种方法。除此以外,反向优化算法[7-8]和差动像差采样法等[9]也是较常用的方法。计算机辅助装调的本质是基于迭代的方法保证逼近目标函数,利用Zernike系数和偏心量的矩阵关系,分析失调引入的误差以此指导装调过程。

　　本文对大型望远镜的装调像差和计算机辅助装调技术进行研究,针对RC式望远镜系统,通过波像差理论分析了由于系统失调引入的彗差和像散的特点,进而设计了灵敏度矩阵的形式,利用奇异值分解和最小二乘法拟合确定系统的装调方案,并对系统进行模拟失调分析和实验验证。实验结果证实该方法具有较好的精度、抗干扰能力和实际应用价值。

　　2　主次镜偏心误差及旋转点的影响

　　主次镜相对于机械轴的离心会导致光学像面的偏离并且产生对准误差,还会引入彗差和小量的像散。次镜可通过调整倾斜量使离心导致的彗差和像散减少到零,但是伴随图像位置的偏移和像面的倾斜却不可避免。为了光学系统的精确对心和像面处于正确位置,有必要测量和区分各种偏差和导致的波前误差。

　　这里使用Code V建立光学模型,选择F数为7.7的RC式望远镜系统,其最大视场角为17.67′,基本的望远镜布局如图1所示,z轴为光轴方向。当其光轴完全重合(无偏心误差时),修正彗差项为0时,可以清晰地观察到视场边缘的像散(如图2)。