[发明专利]大口径光学系统近场检测装置及其测量方法

说明书

大口径光学系统近场检测装置及其测量方法，由准直镜、微透镜阵列和探测器组成夏克哈特曼波前测量装置，其特征在于，在被测量目标的前方放置有点光源阵列作为测量信标，在被测目标的焦点前放置有分光镜和定标点光源，焦点后依次放置有准直镜、微透镜阵列和探测器；由点光源阵列、测量目标、分光镜和定标点光源组成系统自检光路；由点光源阵列、测量目标、分光镜、准直镜、微透镜阵列和探测器组成测量光路。本发明以三级像差在入瞳位置上的相关性为理论基础，以近场点光源阵列为测量信标，实现了大口径光学系统的近场检测，可以广泛用于大型光学系统的室内以及无信标等特殊条件下的检测。

技术领域

本发明涉及一种大口径光学系统近场检测装置及其测量方法。本发明是在国家自然科学基金(项目编号：U1631125)的资助下进行的，属于光学测量技术领域。

背景技术

随着深空探测技术的快速发展，天文学家对光学望远镜的要求越来越高，建造大口径、高精度的天文望远镜是当今天文光学技术发展的一个方向和热点。在天文光学望远镜的研制过程中，受到玻璃材料、加工、装调等技术条件的限制，大口径光学望远镜多采用拼接镜面技术，如中国的郭守敬望远镜(LAMOST)，美国的三十米望远镜(TMT)等，都采用或者将要采用拼接镜面技术。采用拼接镜面技术的大口径望远镜除了单块子镜的加工测试难题外，拼接主镜的安装、面型调整与维持以及望远镜整机的波前误差测试等工作也面临着很多的技术难题。因为更大的口径和更多的子镜意味着更长的焦距、更加复杂的检测光路和更加严苛的环境条件。目前对望远镜整机的波前误差主要采用两种检测方法，一是采用夏克哈特曼波前传感器，另一种是采用4D干涉仪：

夏克哈特曼具有波前测量精度高、体积小、价格便宜等优点，通常会被作为望远镜的标准配置。夏克哈特曼的光源配置比较灵活，因此既可以采用自准直的方法对小口径望远镜进行检测，也可以利用自然星为目标对大口径望远镜进行检测，如我国自主研制的LAMOST望远镜就是采用夏克哈特曼对MA和MB的面型进行检测。利用自然星为目标测试时，除了受到目标星等、天气的影响外，望远镜跟踪误差、大气波前误差等因素都会影响到测试的精度。从测试结果中扣除大气影响的做法又有很大的不确定性，这就造成了很多望远镜设计精度很高，调试效果很差，实际观测效果自然大打折扣。

4D干涉仪具有测量精度高、操作简单等优点，但是只能采用自准直的方法进行检测，测量时需要在望远镜前放置与望远镜口径相当的平面反光镜。4D干涉仪在小口径望远镜检测时比较方便，在大口径望远镜测试时则比较困难，主要原因是测试需要用到的自准直平面反光镜口径大，制造检测困难、成本过高。为了解决这种情况，需要采用子孔径拼接的方法进行测试。

子孔径拼接方法由美国Arizona光学中心的C.J.Kim首先提出，其原理是采用小口径平面反光镜组合来代替一块大的平面反光镜，通过对多个子孔径测量结果的数据处理得到完整的系统波面。该项技术在大口径望远镜研制中得到广泛应用，如日本3.5米天体物理与宇宙学天基红外望远镜(SPICA)采用一块1m口径的平面反光镜实现了3.5米全口径的波前检测，美国的詹姆斯韦伯空间望远镜(JWST)则是采用1.2米口径的平面反光镜实现了6.6米全口径的波前检测。干涉仪子孔径拼接技术的优点是采用小口径平面反光镜解决了大口径望远镜的测试，但是其缺点也很明显：

1)子孔径算法是根据重叠区域进行合成的，误差会被积累、放大；

2)子孔径拼接延长了测量时间，使得气流、温度等环境变化影响到测量结果；

3)子孔径与全口径的配准困难，对平面反光镜的定位精度要求高。