拼接镜主动光学共焦实验

　　1　引　言

　　对于下一代大型、甚大型望远镜,主镜一般大于10 m,单块的整镜由于材料、重量、成本、变形等的影响,具有较大的局限性,而主镜采用拼接方式被认为是最有前景的一种选择[1]。但是,拼接式主镜也带来了一些特殊的问题,如子镜之间的对准问题。

　　拼接镜主动光学就是要测量子镜之间的共焦和共相误差,对其进行标定和实时校正,解决子镜之间的对准问题。美国的KeckⅠ、Ⅱ望远镜是世界上首次使用拼接镜主动光学的两台望远镜,KeckⅠ、Ⅱ在可见光波段实现了共焦[2](共焦倾斜误差为0.03″rms),在红外波段实现了共相。美国的HET望远镜也采用拼接镜主动光学,子镜之间实现了其设计目标的共焦[3]。国内已落成的LAMOST望远镜的反射改正板同时采用了薄镜面主动光学和拼接镜主动光学[4]。南京天文仪器厂的苏定强等人在2000年完成了拼接镜主动光学的实验[5],实验采用3块对角线长250 mm的正六边形镜,单块子镜曲率半径为3 000 mm,实现的共焦倾斜误差为0.035″rms。

　　本文构建了一套拼接镜主动光学的试验系统,采用的S-H传感器不仅可以实现子镜之间共焦的检测,也可以对子镜的面形进行检测。目前已完成共焦实验,实现了轴向离焦误差优于1μmrms,倾斜误差在两维方向上均优于0.02″rms的调整,本文对共焦的检测和调整进行了论述,共相实验将后续展开。

　　2　共焦测量的原理

　　2.1　S-H传感器倾斜测量的原理

　　S-H传感器倾斜测量的原理如图1所示,从点光源发出的光束经过准直透镜1、分光镜、准直透镜2到达被测镜,光线从被测镜反射回来后经准直透镜2和分光镜到达S-H传感器。假设以图中实线所示的被测镜位置为参考,把这时入射到S-H传感器的光波面定为参考面,S-H子孔径在CCD上产生的像点位置为参考点。当镜子相对参考位置有倾斜时(如图中虚线所示),入射到S-H传感器的光波面相对参考面就会有倾斜,S-H子孔径产生的像点相对参考点就产生倾斜偏移,通过计算该偏移量,就可以得到这时镜子相对参考位置的倾斜大小及方向。

　　子孔径在CCD上产生的像点倾斜情况如图2所示,图中圆内斜线一端的十字丝表示的是当前像点的位置,斜线的另一端为参考点,斜线的长短和方向表示的是当前点相对参考点的倾斜大小和方向,由此可推算出实际波面相对参考波面的倾斜情况。

　　2.2　拼接镜共焦测量的原理

　　对于拼接镜情况, S-H子孔径位于被测镜的出瞳面上,对应各个子镜,分别取如图3所示的圆内的多个子孔径,用子孔径产生的像点进行相对于参考点的倾斜测量。对于各子镜,只要调整各自的倾斜使由S-H测量得到的倾斜矢量相等,就可以确定各个子镜共焦,该原理亦能从图1中看出。