拼接子镜系统计算机辅助装调研究

　　0　引言

　　多子镜拼接主镜的大口径望远镜相比于传统单一镜面望远镜有多方面的优点.通过子镜拼接可以制造超大尺寸主镜系统,提高分辨率、降低造价.拼接子镜系统通过控制系统的调节可以时刻保持主镜面性的精确,提高成像质量.空间望远镜系统通过拼接子镜可以折叠系统,减小体积,适合于发射[1].

　　目前,拼接子镜面的望远镜系统已经研制出来.1993年,美国在夏威夷莫纳克亚山双子座天文台建成“凯克望远镜KECK”[2-3],主镜镜面由36块口径1.8 m的反射镜拼合而成.美国宇航局的NGST计划于2011运载James Webb望远镜到太空进行观测[3].James Webb望远镜的主镜呈六边形,由多块子镜拼接组合而成.

　　拼接主镜面的望远镜相比于单一镜面,光学元件的数量和装调自由度大量增加,引入了更多的误差来源,提高了装调难度.传统的装调方法效率低、随机或经验成分多、装调周期长,这些缺点在这种高准确度、多自由度的系统中是突出的难点.要达到理想的装调质量,必须采用更好的方法.根据这一要求,本文研究了拼接子镜光学系统的计算机辅助装调技术.首先对拼接子镜系统的计算机辅助装调的数学模型进行了分析,然后对主镜分块系统进行了建模,对其多个子镜的装调误差进行分析,采用反向优化法编写程序求解子镜失调量,求解结果准确度高,符合实际装调要求.

　　本文的求解方法中采用多个装调参量同时扰动,相比于3~5个装调自由度,或者每个自由度依序扰动求解失调量.求解方法直接以37项泽尼克系数作为评价函数,提高了对各个自由度的感应准确度.相比于泽尼克系数转化为像差,再行求解的方法,精简了计算步骤,提高了计算速度,具有创新和实际应用意义.

　　1　数学模型

　　光学系统在粗装调结束后,每个元件的位置和角度与设计值会有微小的偏差,这些小偏差对于高准确度要求系统的像质会有很大的影响.在保证系统成像质量的前提下,确定这些小偏差或者说失调量的位置和大小是计算机辅助装调研究的内容.如果能够准确求出失调量,对系统的装调就会有的放矢,使得实际光学系统的结构参量最大可能的趋近于设计值,从而最大化的发挥系统的设计质量.

　　反向优化法辅助装调指将一个设计好的理论系统人为加入失调量,建立起系统失调状态的数学模型.如果这种系统的性能指标与理论系统某一失调状态相同,则实际系统可以根据理论模型的失调量进行装调.作为优化目标的性能参量可以是波像差或几何像差,装调参量为偏心倾斜或者是元件间间隔.

　　本文以系统的波像差,37项Zernike系数作为优化函数,用F1…Fm表示;系统实际装调中各子镜面的运动自由度为自变量,用x1,…,xn表示.二者之间有函数关系[5-6].