大型光学系统径向哈特曼像质检测方法

　　1　引　　言

　　随着科学技术的发展,光学系统的口径越来越大,比如光学望远镜口径由2~4 m级逐渐发展到8~10 m级,甚至更大,对光学系统的质量要求也愈来愈高,因此大口径光学系统的像质检测极富挑战性。目前大口径光学系统像质检测的主要方法为采用标准平面镜的自准直检测方法,该方法需要利用标准平面镜的自准直光进行检测。该方法具有灵敏度高、测量结果可靠等特点,若采用干涉仪和哈特曼波前传感器可达到很高的测量精度。但大口径标准平面镜制造难度大,制造周期长,其自身的检测也很困难,制造成本甚至比相同口径的望远镜系统都高,目前世界上超过1 m的标准平面镜很少,因而是大口径光学系统像质检测的难点。在没有大口径标准平面镜的情况下,检测望远镜系统光学质量一般采用哈特曼波前传感器,并将望远镜对准恒星进行测量[1],通过多次平均以消除大气湍流对测量精度的影响,该方法可得到定量检测结果,但受天气条件限制。

　　本文介绍了一种新的基于径向波前斜率的哈特曼检测方法及原理[2~6],在没有昂贵的大口径标准平面镜的情况下,用该方法在室内可实现大型光学系统的像质检测。介绍了采用该方法建立的800 mm口径的径向哈特曼像质检测实验系统的组成及结构,并利用该系统对700 mm光学系统进行像质检测的实验分析。

　　2　方法原理

　　径向哈特曼检测方法的工作原理如图1所示,由激光器输出的光束经一物镜准直成小口径平行光束后入射到双五角棱镜组,经中心五角棱镜PT1使光束偏折90°,再经扫描五角棱镜PT2折转90°后出射到被检测光学系统,2个五角棱镜的主截面彼此平行,通过改变2个五角棱镜之间的距离并旋转五角棱镜组实现在被检测口径的不同位置出射小口径平行光束,即对被检测口径进行采样,每个采样位置确定一个子孔径,并在被检测光学系统焦面上产生光斑,通过探测光斑位置移动的径向分量,可获得被检口径在各采样子孔径位置的局部径向斜率信息,经波前复原算法可得到被检测光学系统的波前误差[7,8]。

　　五角棱镜是光学对准和光学检测中常用的工具,其主要作用是使光轴偏折90°,其最大优点是在主截面内使偏角保持为常数,不管光束是垂直入射还是倾斜入射,也就是说当五角棱镜绕垂直于主截面的轴旋转时,光束偏角保持不变。双五角棱镜扫描方法正是利用了五角棱镜这一优点。不过,当五角棱镜绕主截面内的轴旋转时,与平面反射镜的特性相同。因此径向哈特曼检测方法只能用于测量被测波前的径向斜率信息,而不能用于测量被测波前的切向斜率信息。