1.5米口径平面镜面形检测与误差控制

发布时间：2020-08-05 20:20

【摘要】：大口径平面镜通常是指口径大于1 m的平面镜,大口径平面镜在光学检测、空间光学、天文光学等领域已经有了广泛的应用。为了保证大口径平面镜具有良好的质量,必须对其面形进行检测。然而长期以来,大口径平面镜的面形检测一直是光学领域的一个难题,现有的检测方法存在着技术不成熟、检测精度不够、成本高昂、检测周期长等问题,不能满足大口径平面镜面形的检测需求。为了解决这些问题,本论文针对1.5m口径平面镜面形的检测和误差控制技术进行了研究。设计了检测系统和检测方法。提出“单五棱镜往返差分扫描测量表面倾斜角差值,再结合Zernike多项式偏导数的差分建立方程组直接计算出二维全口径面形”的方法来检测1.5m口径平面镜的面形。该方法采用单五棱镜差分扫描来测量表面倾斜角的差值,可以消除所有倾斜误差的一阶影响、五棱镜制造角差的影响和大部分环境的影响,具有很强的误差抑制能力。该方法采用往返扫描、逐步推进的扫描方式,对两个配对点的测量在时间上紧邻着,不再按照测量点的排列顺序依次测量,减小了环境变化的影响。在算法上,该方法利用表面倾斜角的差值,再结合Zernike多项式偏导数的差分建立方程组直接计算出二维全口径面形,避免了傅里叶变换算法的繁琐,以及递推算法和拼接算法的误差累积。另外,该方法还对五棱镜在扫描过程中的倾斜变化量进行了自动监视和调整,减小了五棱镜的倾斜误差。本文还分析了各个检测参数的选择原则,特别是两个配对点的距离d的选择原则,指出了d的选择需要兼顾环境影响的抑制和相对误差的抑制;设计了针对1.5m口径平面镜的4套不同频率级别的检测参数,分别对应不同的频率检测需求,选择了最高频率级别的参数来进行检测,从而能够更加全面地检测被测平面镜的面形信息;最后对检测方法进行了仿真分析,结果表明,检测方法的原理误差仅为2.3nm rms,验证了检测方法的正确性。研究了五棱镜的误差特性。利用五棱镜的作用矩阵和坐标转换公式,研究了五棱镜的旋转误差对出射光方向的影响,得出了重要结论:出射光在主截面内的偏角几乎不受五棱镜旋转误差的影响,而出射光在垂直于主截面方向的偏角则受五棱镜旋转误差的影响较大。利用五棱镜的展开和光路计算,研究了五棱镜的制造角差对出射光方向的影响,得出了重要结论:五棱镜的制造角差会使出射光在两个方向上均产生固定的偏角,这两个偏角都是与入射角无关的常量。采用光线矢量追迹的方法推导出了五棱镜基本系统的误差公式,为系统调整和误差分析打下了基础。研究了检测系统的精密调整技术。以导轨的方向和旋转臂的旋转平面为基准,设计了粗调整的步骤。分析了精调整的内容、基准和目标,以自准直仪1为基准,研究了精调整的方法,重点研究了精调整过程中的yaw测试和roll测试,设计了精调整的步骤。对检测系统进行了误差分析,分析了倾斜误差、自准直仪1的测量误差、测量点的位置误差、五棱镜的制造角差以及环境变化带来的误差,得到表面倾角差值的总误差为81.3nrad rms,在此基础上,采用仿真分析的方法确定了由表面倾角差值的误差带来的面形检测误差为7.8 nm rms,然后再将其与检测方法的原理误差进行合成,得到最终的面形检测精度为8.1 nm rms。采用该检测系统对1.5 m口径平面镜的面形进行了检测,共检测了5次,计算得到平均标准偏差为4.3 nm,可见检测重复性较好。将检测结果与Ritchey-Common法的检测结果进行了对比,得到两种方法的面形结果的差值为7.6 nm rms,小于本文的检测系统的面形检测精度,证明了本文的检测方法和检测系统的正确性。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：

图 1.2 4m 口径 LAMOST 光谱望远镜Figure 1.2 4m aperture LAMOST Spectral telescope系统对大口径平面镜的需求镜通常是指口径大于 1 m 的平面镜。随着大口径平面镜的使用也越来越多，主要包括以下几个证大口径光学系统具有良好的成像质量，需要波像差的检测，而自准直干涉法必须要用到大光路如图1.3所示，干涉仪发出的测量光束经过来，再反向经过被测光学系统，最后与干涉仪内，干涉仪自动对干涉图进行处理后即可测出波被测光学系统的口径，以保证对被测光学系统自准直干涉法测试大口径光学经纬仪的波像差

图 1.5 极大望远镜（VLT）的结构简图Figure 1.5 The structure schematic picture of VLT图 1.6 地基 30m 口径望远镜(TMT)的结构简图

图 1.6 地基 30m 口径望远镜(TMT)的结构简图Figure 1.6 The structure schematic picture of TMT（3）在大口径光学系统中，常常将大口径平面镜作为子镜，用来拼接组成大口径的反射镜。中国国家天文台兴隆观测站的 LAMOST 光谱望远镜[33-36]有效口径为 4m，如图 1.2 所示。LAMOST 的施密特改正镜由 24 块对角线长

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本文编号：2781827