大口径主焦点式光学系统的设计与装调

大口径主焦点式光学系统的设计与装调 Design and alignment of large-aperture prime focus optical system corresp first-author E-mail： 13604331605@163.com E-mail： 13604331605@163.com 姜晰文（1991-），男，吉林长春人，硕士，助理研究员，2013年、2016年于长春理工大学分别获得学士、硕士学位，主要从事光学设计、光学检测方面的研究。E-mail： 13604331605@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37919184&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37919197&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=37919192&type= 22.01332855 32.00399780 姜晰文 （1991-），男，吉林长春人，硕士，助理研究员，2013年、2016年于长春理工大学分别获得学士、硕士学位，主要从事光学设计、光学检测方面的研究。E-mail： 13604331605@163.com 13604331605@163.com 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 吉林省智能波前传感与控制重点实验室， 吉林 长春 130033 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 吉林省智能波前传感与控制重点实验室， 吉林 长春 130033 Key Laboratory of Intelligent Wavefront Sensing and Control， Changchun Institude of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China Key Laboratory of Intelligent Wavefront Sensing and Control， Changchun Institude of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China 为满足大口径主焦点光学望远镜的发展趋势与需求，研究了大口径主焦点式光学系统的设计与装调方法。给出一个大口径主焦点光学系统的设计，该系统由一块非球面主反射镜和六块口径较小的球面透镜组成，六块透镜构成的校正镜组能够增大视场、校正像差，从而保证系统的成像质量。该系统的工作波段为0.4~0.8 μm，通光口径为1 000 mm，焦距为1 300 mm，视场为2.7°×2.7°，在 - 40~50 ℃内采用移动探测像面的方式实现温度补偿。全视场奈奎斯特频率下调制传递函数高于0.45，RMS弥散斑半径小于10 μm。针对该系统，提出了一种包含主镜被动支撑调整、校正镜定心装调和系统星点成像装调的一般装调方法，装调后系统全视场靶面星点80%能量集中度在3×3个像元以内。 Considering the development trends and demands of large-aperture prime focus optical telescopes， design and alignment methods for a large-aperture prime focus optical system were analyzed. A prime focus optical system with a large aperture was presented. This system was composed of an aspherical primary mirror and six spherical lenses with smaller apertures. The corrective lens could be used to enlarge the field of view， correct image aberrations， and ensure the image quality of the system. This system has a focal length of 1 300 mm， working waveband of 0.4-0.8 μm， clear aperture of 1 000 mm， and a 2.7°×2.7° field of view. In addition， this system was compensated by moving the detection image plane in the range of - 40-+50 ℃. The modulation transfer function （MTF） of the system was above 0.45 at the Nyquist frequency， and the RMS speckle radius was less than 10 μm in the full field of view. A general method including the adjustment of the primary mirror， corrective lens， and system was proposed for this system， the results of which indicated that the star point 80% energy concentration degree in the full field of view of the system was in a 3×3 pixels region of the target area. 光学设计 光学装调 主焦点式 像质评价 optical design optical alignment prime focus image quality evaluation 1 引 言 1 主焦点式光学系统仅包含主反射镜一块反射光学元件，光能损失小、结构简单。在主反射镜焦点前加入若干透镜组成校正镜组，能够增大视场，校正像差，提高像质。相比其他结构形式的望远镜光学系统，主焦点式系统中校正镜组口径相对较小，中心遮拦小，光能量损失小。 为实现更高的集光能力与分辨力，望远镜光学系统的口径不断增大。目前，国内最大的单体主反射镜由中国科学院长春光机所研制，口径达4 m ［ 1 1 ］ 。日本国家天文台在美国建造的光学Subaru望远镜主镜口径达8.2 m ［ 2 2 ］ 。大型巡天望远镜GMT、LSST主镜口径均在8 m以上 ［ 3 3 ］ 。随着光学元件口径的增大，系统装调难度也随之提高，主焦点式光学系统的装调需考虑主反射镜的面形精度控制、主反射镜与校正镜组的相对位置控制以及校正镜组内部透镜间的倾斜、间隔控制等环节 ［ 4 4 - 9 9 4-9 ］ 。 Subaru望远镜的主镜口径为8.2 m，主镜采用薄镜面技术，厚度仅有20 cm，通过多个促动器保持面形，望远镜的主焦点系统用于实现广域观测，由116个CCD组成了8.7亿像素的超宽视场相机 ［ 2 2 ］ 。长春光机所的研究团队针对口680 mm主焦点光学系统开展了机械结构轻量化设计、光机装调等研究 ［ 9 9 - 11 11 9-11 ］ 。目前，大口径主焦点光学系统的研究均围绕系统的机械结构设计展开，光学系统设计与分析等方面的内容鲜有提及。另外，关于大口径主焦点系统光学装调方面的研究也不全面，缺少通用、详细的装调方法。因此，本文针对某1 m口径主焦点望远镜的光学系统，根据设计要求展开了详细的光学设计、分析及像质评价，并提出了适用于大口径主焦点式光学系统的一般装调方法。 2 光学系统设计 1 主焦点式光学系统的主要设计参数如 表1 表1 所示。 Parameter Value Clear aperture/mm 1 000 Wave range/μm 0.4-0.8 Focal length/mm 1 300 F # 1.3 2 X ×2 Y /（°） 2.7×2.7 MTF at 50 lp/mm of all fields MTF>0.4 Environment temperature/℃ -40-+50 Detector image format/pixel 6K×6K Pixel pitch/µm 10 针对设计要求，结合主焦点式光学系统的特点进行该光学系统的具体设计、像质评价、热分析及公差分析。选择合适的初始结构，在此基础上缩放焦距，调整口径，设置基本参数。添加必要的控制操作数，设置曲率、空气间隔、镜片厚度和材料等为变量，根据需要增加透镜，增加变量数，不断调整优化，直至像质满足要求。完成系统主镜抛物面，及校正镜组六片球面透镜的设计，光学系统结构如 图1 图1 所示。 针对该设计展开系统的像质评价，20 ℃时，该系统在奈奎斯特频率下（50 lp/mm），2.7°×2.7°（对角线视场3.82°）视场的调制传递函数（Modulation Transfer Function， MTF）均大于0.5，如 图2 图2 所示。 当环境温度变化时，热变形会导致光学系统的成像质量下降，因此需要对系统进行温度补偿。对系统进行热分析得知，单独采用后截距移动补偿便能够校正像质变化。系统采用步进电机、直线导轨移动探测器的方式实现系统的实时温度补偿。装调过程对探测器的俯仰、方位两个维度的离焦加以控制，保证了探测器移动过程中的补偿精度。经计算，像面移动的补偿范围为 - 0.24~+0.48 mm，以15 ℃为梯度，不同温度的补偿量见 表2 表2 。 Temperature/℃ Compensation/mm -40 0.48 -25 0.36 -10 0.24 5 0.12 20 0 35 -0.12 50 -0.24 补偿后 - 40，50 ℃时光学系统的MTF曲线如 图3 图3 所示。由图可知，在 - 40~50 ℃内，光学系统的MTF曲线全视场在50 lp/mm处均高于0.45，实现了系统像质的补偿。 1;2; 系统在20 ℃的点列图如 图4 图4 所示，在全视场2.7°×2.7°（对角线视场为3.82°）内最大弥散斑半径（RMS）小于9 μm，其中（0°，0°），（0°，0.675°），（0°，0.8°），（0°，0.950°），（0°，1.35°），（0°，1.91°）各视场的弥散斑半径（RMS）分别为2.361，2.847，3.054，3.366，4.737，8.726 μm。 系统在20 ℃全视场2.7°×2.7°（对角线视场3.82°）内的80%能量集中度小于6 μm（小于2×2像元），如 图5 图5 所示。 光学系统畸变在2.7°×2.7°（对角线视场为3.82°）视场内小于1.3%，最大畸变出现在边缘视场（对角线视场）处，值为1.206 8%，网格畸变如 图6 图6 所示。 运用光学设计软件中公差计算与分析程序，为系统中主反射镜与六片透镜的各项公差参数分配初始值。公差参数包括：折射率、阿贝数、玻璃不均匀性、半径、二次系数公差、光学元件厚度、空气间隔、加工偏心、加工倾斜、装调偏心和装调倾斜等。选择系统50 lp/mm处的传递函数作为像质评价标准，并以后截距作为调整参数。利用灵敏度分析、反灵敏度分析及蒙特卡洛分析 等方法分析各项初始公差对系统性能下降的敏感度，对敏感参数进行公差收紧，对非敏感参数进行公差放松，连续调整，最终获得合理的公差分配及光学系统性能的预算结果。 表3 表3 为光学系统最终的公差要求。 Element Radius Δ R /mm Conic Δ K Eccentric of machining χ /（"） Eccentric of mounting and adjusting Δ y /mm Tilt of mounting and adjusting θ /（"） Interval， thickness Δ d /mm N ，Δ N Primary mirror ±1 ±0.0001 — — — ±0.08 — 2 Lens 1 ±0.5 — 2 20 2 ±0.02 2 ±15 ±0.02 4，0.4 ±0.5 — ±0.03 4，0.4 2 Lens 2 ±0.5 — 2 20 2 ±0.02 2 ±20 ±0.02 4，0.4 ±0.5 — ±0.03 4，0.4 2 Lens 3 ±0.5 — 2 20 2 ±0.02 2 ±20 ±0.02 4，0.4 ±0.5 — ±0.03 4，0.4 2 Lens 4 ±0.5 — 2 20 2 ±0.02 2 ±20 ±0.02 4，0.4 ±0.5 — ±0.02 4，0.4 2 Lens 5 ±0.5 — 2 20 2 ±0.02 2 ±15 ±0.02 4，0.4 ±0.5 — ±0.03 4，0.4 2 Lens 6 ±0.5 — 2 20 2 ±0.02 2 ±20 ±0.02 4，0.4 ±0.5 — — 4，0.4 Mounting and adjusting tolerance of the corrective lens respect to the primary mirror — — — ±0.03 ±15 ±0.08 — 根据 表3 表3 ，在设计中计算分析了100个蒙特卡洛抽样样本，每个样本都是一个模拟加工、装调的光学系统。通过计算系统50 lp/mm处的MTF，得到97%以上抽样的MTF > 0.45，满足设计要求。 3 光学系统装调 1 根据主焦点系统的光学结构组成，可以将系统的装调分为主镜装调、校正镜组装调和系统装调 ［ 13 13 - 15 15 13-15 ］ 。3个过程分别控制主镜的面形精度、校正镜组透镜间的相对位置精度、校正镜组相对主镜的位置精度及探测器的离焦。根据 表3 表3 中的公差要求，在软件中进行Mont-Carlo仿真抽样分析，系统装调时的补偿环节为后截距。像面调焦范围是 - 3~+3 mm，精度为±0.01 mm。以系统最终的RMS波像差为标准，随机100次试验，其中90%以上抽样的轴上系统RMS波像差小于0.8λ，轴外RMS波像差小于0.1 λ 。由分析可知，公差要求中的主镜、校正镜为敏感光学元件，其面形误差、装调中的倾斜与偏心误差均对系统影响较大。因此，在装调条件允许的情况下，应尽量保证主镜、校正镜的面形精度，同时提高倾斜与偏心误差。 3.1　主镜装调 2 主镜的装调精度依靠调节主镜与镜室之间的支撑结构，该支撑结构包括轴向底支撑组件、径向侧支撑组件，如 图7 图7 所示。其中，轴向底支撑采用3组半柔性机构Whiffletree逐级扩展为18个等力支撑点 ［ 16 16 ］ 。径向侧支撑采用6套对称排布的柔性切向杆机构，机构在主镜径向及轴向方向均采用柔性连接方式。 装调过程中，主镜光轴竖直向上，应用激光干涉仪、补偿器和平面反射镜对主镜面形进行实时检测，激光干涉仪的检测波长为632.8 nm。通过不断调整主镜支撑结构，直至面形达到 λ /30，满足精度要求，光路如 图8 图8 （a）所示。考虑到望远镜系统的实际应用场景，光轴指向覆盖0°~90°（水平到天顶），因此，在光轴竖直状态下完成主镜装调后，对光轴水平状态的主镜面形进行检测，光路如 图8 图8 （b）所示，检测面形同样达到 λ /30的精度。两种状态下主镜的面形检测结果如 图9 图9 所示，竖直检测面形为0.033 0 λ ，水平检测面形为0.032 3 λ 。 1;2; 3.2　校正镜组装调 2 校正镜组作为光学系统的重要组成部分，其装调质量直接决定了系统的成像质量。为提高像质，该系统采用较大口径的校正镜组，最大镜片口径可达312 mm，大幅增加了装调难度。校正镜组采用旋转定心装调的方式，严格按照公差要求进行。定心装调前，将6片球面透镜逐一与各自的镜室安装，由于透镜口径较大、装调精度较高，安装过程中受力不均的情况会造成透镜面形变化超差，因此采用激光干涉仪实时检测单镜面形，整个安装、调整过程在干涉仪的监视下完成。 应用高精度定心间隔测量仪开展定心装调，如 图10 图10 所示。仪器发出的光线通过镜头的上下移动，能够定位到透镜单个表面的顶点像与球心像，通过转台的转动能够计算出透镜的位置偏差，从而得到精确的位置信息。首先，将最下方第一块透镜组件置于定心仪转台之上，利用仪器检测，调整该透镜与转台转轴同轴。安装第二块透镜组件，检测其光轴与透镜1的间隔偏差，修研调整垫圈，直至满足要求。透镜的装调结果见 表4 表4 ，满足公差要求。 Element Surface Inclination relative to the optimum axis/（″） Deviation of air spacing/mm 2 Lens 6 Front 1.0 - Back 9.1 2 <0.02 2 Lens 5 Front 11.2 Back 7.5 2 <0.02 2 Lens 4 Front 12.3 Back 10.1 2 <0.02 2 Lens 3 Front 6.0 Back 10.6 2 <0.02 2 Lens 2 Front 14.0 Back 11.0 2 <0.02 2 Lens 1 Front 2.3 Back 16.3 - 3.3　系统装调 2 系统装调本质上就是主镜与校正镜组相对位置的调整。将二者通过相关结构件连接后，以主镜为基准，调整校正镜组位置。借助平行光管、成像探测器等展开装调，原理如 图11 图11 所示。光源照亮平行光管焦平面位置的星点靶，平行光管发出的平行光被系统接收，成像于探测器上 ［ 12 12 ］ 。当主镜与校正镜组的相对位置存在偏差时，探测上接收到的星点像可能包含球差、彗差和像散等像差，利用计算机辅助装调，通过光学设计软件仿真分析，将包含像差的星点图像与校正镜位置偏差相对应，调整校正镜的姿态和位置（倾斜、平移、间隔）直至理想状态。通过严格调整探测器的方位角和俯仰角，控制探测器的离焦。 采用星点检验方法对装调好的系统进行像质评价，利用软件方法判断探测器星点像所占的像元数。系统全靶面（视场）范围内九点分布星点像如 图12 图12 所示，通过软件分析得出全视场内80%能量集中在3×3个像元内，符合设计要求，装调方法切实可行。 4 结 论 1 本文研究了大口径主焦点式望远镜光学系统的设计方法，利用光学设计软件，实现了对由抛物面主镜和六块球面透镜构成的1 m口径主焦点光学系统的详细设计与像质分析。然后，研究了大口径主焦点光学系统的装调方法，包括主镜的支撑调整、校正镜组的定心装调以及系统装调的星点校验装调。最终，1 m口径主焦点系统全视场内80%的能量集中度在3×3个像元以内，装调方法有效可行。本文对大口径主焦点光学系统的设计与装调具有借鉴意义。 参考文献 吴小霞 ， 李剑锋 ， 宋淑梅 ， 等 . 4 m SiC轻量化主镜的主动支撑系统 ［J］. 光学 精密工程 ， 2014 ， 22 （ 9 ）： 2451 - 2457 . doi: 10.3788/OPE.20142209.2451 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20142209.2451 4 m SiC轻量化主镜的主动支撑系统 WU X X ， LI J F ， SONG S M ， et al . 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