大口径望远镜光学系统的误差分配与分析

　　1　引　言

　　目前,随着对望远镜分辨率和能量的要求越来越高,望远镜光学系统的口径也越来越大。口径增大的同时,光学系统的加工、装调难度也随之增加。很多大口径光学系统在经过加工和装调后[1],得到的成像质量与初始光学设计时的成像质量相差很大,甚至无法达到预定的使用要求。如果没有各项误差对像质的影响数据,就不能在加工、装调和使用时进行有针对性地修正,从而影响整个系统最终运行时的性能。因此,从大口径光学系统的发展前景来看,在光学系统的各个部件投入加工之前,为该系统建立一套完备的误差分配体系是极为必要的。

　　国外由于大口径光学系统出现很早,因此在这方面的研究比较深入,很多大口径望远镜在加工之前都建立了完备的误差分配体系。例如美国的4 m先进技术太阳望远镜(ATST),对望远镜系统的各方面误差进行了多种方案的分配[2],并将它们进行了比较分析,为整个系统的加工、装调和使用提供了完备的依据。国内由于较大口径光学系统研究的起步较晚,处于正在发展阶段,尚未有关于光学系统的完整误差分配体系的文献。

　　本文首先介绍了误差分配体系包含的内容,并将其进行了归类,然后以1.2 m望远镜系统为实例,对误差分配进行了详细阐述,并分析了各个误差对系统成像质量的影响,指出了关键误差,以及它们在加工装调中应注意的事项。

　　2　误差分配的组成

　　望远镜光学系统的误差可以分为静态误差和动态误差。静态误差包括加工、装调误差;其中加工误差又包括各个元件的面形、曲率半径、厚度误差,装调误差包括各元件相对之间的偏心、倾斜、间距误差,动态误差包括运动中个元件偏差、图像抖动误差和圆顶以及视宁度误差。

　　如图1,根据建立的误差分配树,各级误差的平方等于下级所有子误差的平方和。

　　误差对光学系统像质的影响,可以采用调制传递函数(MTF)、能量集中度(Encircled Ener-gy)、RMS波像差(Wavefront Error)和RMS弥散斑(Spot Radius)半径作为评价标准。

　　本文以1.2 m望远镜光学系统为实例,在其光学设计基础上主要对静态误差进行了讨论、分配和分析。对望远镜光学系统像质评价采用RMS波像差作为评价标准。

　　3　误差分配与分析

　　3.1　1.2 m望远镜光学系统

　　1.2 m望远镜光学系统是可用于可见光、红外探测的地基望远镜光学系统,也可用于自适应光学校正下的高分辨率成像探测,其误差分配直接影响到系统最终的探测质量。

　　本文中分析的是其直接用于可见光探测的光学系统,它是由非球面主、次镜和平面反射镜组成的RC反射式系统,如图2所示。