[發明專利]大口徑光學系統近場檢測裝置及其測量方法

有效

• 申請號: 201810429564.5
• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN108871733B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 寇松峰;葉宇;張志永;田源;顧伯忠
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所
• 主分類號: G01M11/00
• 分類號: G01M11/00;G01J9/00
• 代理公司: 江蘇致邦律師事務所 32230
• 代理人: 栗仲平

大口徑光學系統近場檢測裝置及其測量方法，由準直鏡、微透鏡陣列和探測器組成夏克哈特曼波前測量裝置，其特征在于，在被測量目標的前方放置有點光源陣列作為測量信標，在被測目標的焦點前放置有分光鏡和定標點光源，焦點后依次放置有準直鏡、微透鏡陣列和探測器；由點光源陣列、測量目標、分光鏡和定標點光源組成系統自檢光路；由點光源陣列、測量目標、分光鏡、準直鏡、微透鏡陣列和探測器組成測量光路。本發明以三級像差在入瞳位置上的相關性為理論基礎，以近場點光源陣列為測量信標，實現了大口徑光學系統的近場檢測，可以廣泛用于大型光學系統的室內以及無信標等特殊條件下的檢測。

技術領域

本發明涉及一種大口徑光學系統近場檢測裝置及其測量方法。本發明是在國家自然科學基金(項目編號：U1631125)的資助下進行的，屬于光學測量技術領域。

背景技術

隨著深空探測技術的快速發展，天文學家對光學望遠鏡的要求越來越高，建造大口徑、高精度的天文望遠鏡是當今天文光學技術發展的一個方向和熱點。在天文光學望遠鏡的研制過程中，受到玻璃材料、加工、裝調等技術條件的限制，大口徑光學望遠鏡多采用拼接鏡面技術，如中國的郭守敬望遠鏡(LAMOST)，美國的三十米望遠鏡(TMT)等，都采用或者將要采用拼接鏡面技術。采用拼接鏡面技術的大口徑望遠鏡除了單塊子鏡的加工測試難題外，拼接主鏡的安裝、面型調整與維持以及望遠鏡整機的波前誤差測試等工作也面臨著很多的技術難題。因為更大的口徑和更多的子鏡意味著更長的焦距、更加復雜的檢測光路和更加嚴苛的環境條件。目前對望遠鏡整機的波前誤差主要采用兩種檢測方法，一是采用夏克哈特曼波前傳感器，另一種是采用4D干涉儀：

夏克哈特曼具有波前測量精度高、體積小、價格便宜等優點，通常會被作為望遠鏡的標準配置。夏克哈特曼的光源配置比較靈活，因此既可以采用自準直的方法對小口徑望遠鏡進行檢測，也可以利用自然星為目標對大口徑望遠鏡進行檢測，如我國自主研制的LAMOST望遠鏡就是采用夏克哈特曼對MA和MB的面型進行檢測。利用自然星為目標測試時，除了受到目標星等、天氣的影響外，望遠鏡跟蹤誤差、大氣波前誤差等因素都會影響到測試的精度。從測試結果中扣除大氣影響的做法又有很大的不確定性，這就造成了很多望遠鏡設計精度很高，調試效果很差，實際觀測效果自然大打折扣。

4D干涉儀具有測量精度高、操作簡單等優點，但是只能采用自準直的方法進行檢測，測量時需要在望遠鏡前放置與望遠鏡口徑相當的平面反光鏡。4D干涉儀在小口徑望遠鏡檢測時比較方便，在大口徑望遠鏡測試時則比較困難，主要原因是測試需要用到的自準直平面反光鏡口徑大，制造檢測困難、成本過高。為了解決這種情況，需要采用子孔徑拼接的方法進行測試。

子孔徑拼接方法由美國Arizona光學中心的C.J.Kim首先提出，其原理是采用小口徑平面反光鏡組合來代替一塊大的平面反光鏡，通過對多個子孔徑測量結果的數據處理得到完整的系統波面。該項技術在大口徑望遠鏡研制中得到廣泛應用，如日本3.5米天體物理與宇宙學天基紅外望遠鏡(SPICA)采用一塊1m口徑的平面反光鏡實現了3.5米全口徑的波前檢測，美國的詹姆斯韋伯空間望遠鏡(JWST)則是采用1.2米口徑的平面反光鏡實現了6.6米全口徑的波前檢測。干涉儀子孔徑拼接技術的優點是采用小口徑平面反光鏡解決了大口徑望遠鏡的測試，但是其缺點也很明顯：

1)子孔徑算法是根據重疊區域進行合成的，誤差會被積累、放大；

2)子孔徑拼接延長了測量時間，使得氣流、溫度等環境變化影響到測量結果；

3)子孔徑與全口徑的配準困難，對平面反光鏡的定位精度要求高。