薄镜面主动光学对光学像差的校正能力分析

　　0　引言

　　主动光学(Active optics)技术最早由欧洲南方天文台提出,并率先开展研究,1989年主动光学技术成功的应用于3.5 m NTT望远镜[1-2].经校正后的镜面面形误差RMS值可达16.8 nm.1998年欧南台又成功的完成了另外一架甚大望远镜VLT[3],VLT的直径为8.2 m,厚度仅有175 mm,径厚比达到47∶1,校正后的镜面面形RMS值达到20 nm.

　　美国对主动光学技术的研究虽然开展较晚,但是应用却更为广泛,其中在军事和国防方面比较有代表性的主要有AEOS和SORT.AEOS安装在夏威夷毛伊岛光学站,是目前最新最大的卫星跟踪望远镜[4],主要是获取低轨卫星的高分辨率图像,能有效地跟踪和识别空间目标.该望远镜的主镜直径3.67 m,径厚比23∶1,主镜采用背部84点支撑,主动校正后的面形误差为44 nm.SORT位于美国新墨西哥州柯特兰的星火光学靶场[5].该望远镜主镜直径为3.5 m的薄弯月形,采用硼硅酸盐材料,56点主动支撑.主动校正后的镜面面形RMS值可达18 nm.

　　日本也较早的开展了主动光学技术的研究和应用[6].1999年日本的Subaru红外光学望远镜建成,该望远镜同时采用了主动光学技术和自适应光学技术,其主镜口径为8.2 m,厚20 cm,轴向264个支撑点中有261个主动支撑点,经主动光学校正后的镜面面形误差RMS值可达到65 nm.

　　国内开展主动光学技术相对较晚,其中比较早的是南京天文光学技术研究所,在苏定强院士的带领下于1993年建立了薄镜面主动光学试验系统[7],其试验镜面的直径为500 mm,厚6 mm,采用了161个子孔径的Shack-Hartmann波面检测系统,波前校正精度达到均方根值0.04μm.

　　本文在查阅了相关国内外文献的基础上,建立了一套薄镜面主动光学实验系统,主要目的是分析薄镜面主动光学对各个光学像差的校正能力,以便指导光学加工.

　　1　仿真分析

　　在仿真分析采用了准Zernike多项式波面拟合,考虑到对高阶像差的校正能力较弱,取Zernike多项式前18项,然后通过阻尼最小二乘法求解校正力的大小,具体的算法过程见文献[8-10].

　　实验采用的主镜直径为400 mm,厚度为11 mm,镜面为球面,曲率半径为2 400 mm,材料为K9玻璃,12点支撑,其中3个硬点,另外9点可以通过促动器进行调节,分布形式见图1.

　　假设校正前9个促动器不承受镜面的重力,即a1~a9施加的力f1~f9=0.只有三个“硬点”承受镜面重力,可以想象对于此薄镜面只有三点支撑,镜面面形一定很差,在这种情况下,求解为了校正这种较差的面形9个促动器所需要的力的大小.

　　校正前镜面面形去掉刚体位移后的面形值为PV=2.68e-003 mm;RMS=6.80e-004 mm,变形云图见图2.根据前面求得的Zernike系数组成镜面的刚度矩阵,见表1第二列,利用阻尼最小二乘法对该镜面求得校正力,进行第一次校正,校正力的大小如表2