620mm薄镜面的主动支撑结构及面形校正

　　1　引　言

　　面形精度是大口径望远镜追求的重要精度指标之一。随着望远镜主镜径厚比不断增大，主镜刚度急剧下降，传统的被动支撑的方式已经不能满足望远镜主镜面形精度要求。为提高望远镜主镜的面形精度，国外早在20世纪80年代就开始研制主动光学望远镜，欧洲南方天文台成功研制3.5mNTT主动光学望远镜，随后又成功建造了4架8.2mVLT主动光学望远镜;日本也建造了7.6mJNLT主动光学望远镜。国内的主动光学技术起步较晚，南京天文仪器厂进行了口径为500mm的薄镜面主动光学实验，校正后面形精度为20～40nm，北京理工大学230mm口径薄镜面主动光学试验主镜面形的RMS值校正到21nm;中科院长春光机与物理研究所的400mm口径薄镜面主动光学试验将初始状态的面形RMS从772nm校正到76nm;苏州大学的500mm口径主动光学试验将主镜面形RMS校正到31nm，不难看出，主动光学技术已经成为大口径望远镜必须掌握的关键技术[1-6]。

　　国内的主动光学试验系统校正主镜面形的方法都是通过求主镜变形相对于校正力变化的响应函数得出主镜的刚度矩阵，然后根据镜面变形求校正力，但相关报道并没有给出校正力的数值[2-4]。本系统采用模式定标法求解主动校正力，建立了主镜支撑系统的有限元模型，定标分析了主镜前10阶模态振型，并给出相应的定标力，用模态振型拟合了镜面变形，用自由谐振模式法校正了主镜面形，给出了主动校正过程中校正力的大小;在讨论主镜的校正时考虑了侧支撑结构对主动支撑系统的影响，并对比了拟合残差和校正残差;最后，对此主动光学系统的性能进行了评价。

　　2　自由谐振模式校正原理

　　薄镜面主动光学利用支撑镜面的力促动器使主镜形状发生改变，从而实现镜面面形的校正[1，6，9]。薄镜面主动光学校正的误差源自望远镜本身的光学、机械加工、装校等系统误差和望远镜光学和机械部件的重力变形以及温度梯度引起的热变形，它们都是低频误差。

　　薄镜面主动光学常用的波面拟合的底基函数分为两种[10-11]模式：一种模式侧重光学像质表达，如Zernike多项式;另一种模式侧重机械结构特性，如主镜的自由谐振模式。波面拟合的方法不同，求解校正力的方法也不同。

　　本文采用自由谐振模式定标法，该方法预先确定出主动支撑系统对应于各个模态振型所需的校正力的分布，将主镜变形分解成各个模态振型的叠加，然后根据模态振型校正力的分布求解镜面变形的校正力，使主镜产生弹性变形以获得理想的镜面变形。

　　主镜自由谐振模式拟合波面变形的为[7]：