主焦点式光学系统的光机结构设计与装调检测

　　0　引言

　　主焦点光学系统具有大相对口径的特点，一般都在焦点前加入数块透镜组成校正镜组，扩大可用视场和消除像差等.在透镜组的前端装有CCD成像系统，由于不存在库德光路，这样光学系统的机械结构就自成一个单独的系统，结构简单，易于实现模块化设计.

　　虽然主焦点式光学系统相对简单，但是校正镜组全部为透镜，口径较大，数量比较多，在进行光机结构设计时，必须充分考虑各个镜片之间的空气间隔、同轴度误差在要求的公差范围之内，同时还需要考虑装调检测的方便性.另外由于主镜和校正镜组单独时均不成像、分段式镜筒和较多的配合面等原因造成装调检验的困难[1].

　　本文以某极轴式望远镜为研究对象，从光机结构设计、有限元分析到系统的装调和检测等进行了详细地讨论，得出了主焦点式光学系统的一般装调检测方法.

　　1　光学系统和光机结构

　　光学系统的主要参量为：有效通光口径D=680mm，系统焦距f=830 mm，视场2w=4.8°，F=1.22.光学设计要求RMS弥散斑半径小于12.5μm，80%的能量集中度集中在16μm以内，面形误差的RMS达到λ/15.根据光学系统设计的结构参量和技术指标要求，进行了系统的光机结构设计，图1为光机结构简图.

　　主光学系统的结构主要包括以下几个组成部分：主镜室组件、连接筒组件、校正镜镜筒组件、校正镜组件、调焦组件等.主镜室组件要保证主镜指向任意方向时，其面形均满足设计要求，连接镜筒连接在四通上，校正镜镜筒上安装有校正镜组件和调焦组件，在设计时对主镜室组件、主镜支撑效果、连接镜筒壁厚和筋的厚度、校正镜镜筒的壁厚和筋的分布以及校正镜镜筒四叶架等结构部分充分采用了有限元分析的方法进行了优化设计[1-8].主光学系统的设计思想是把光学部分设计成为一个独立的部件，确定好与跟踪架的接口关系后，装调工作可并行开展，加快工作进度.

　　2　主镜的支撑设计和装调检测

　　2.1　主镜的支撑设计

　　主镜作为光学系统的核心部件，其支撑效果直接影响主镜的面形准确度.由于该光学系统应用于某极轴式望远镜，在极轴式望远镜中，主镜既要绕赤经轴转动，又要绕赤纬轴转动，而重力方向是一定的，因此在结构设计中，要求主镜各个姿态下受到重力的影响时，其面形准确度都能保持在光学设计要求的范围内.同时还需要对主镜进行有效的定位，限制其六个方向的自由度，使主镜与其他光学元件的相对位置关系保持稳定不变，以有效实现光学系统的功能.

　　主镜支撑结构分为底支撑组件、侧支撑组件、芯轴组件、防转组件、防翻组件等几部分[9]，其中底支撑采用whiffle　tree的结构形式，共分为3组，每组均可调，用于主镜的轴向卸荷和限制光轴方向即Z轴的位移自由度以及绕X和Y轴方向的旋转自由度;侧支撑用于主镜的径向卸荷;芯轴组件用于主镜的径向定位，并且可承受部分主镜的径向载荷，限制主镜沿X和Y轴方向的位移自由度;防转组件用于限制主镜绕光轴方向即Z轴的旋转自由度;防翻组件起到对主镜的防护作用，主镜室支撑效果图如图2所示.