（光学专业论文）大型望远系统的波前检测技术研究.pdf

秘川大学顿t 论文摘簧 大型望远系统麴波前检测技术研究 光学专业 研究生：常山指导教师：曹蘸平 摘要 在空间科技、鼙攀国防等领域中，大型望远系绕正目盏发撵极其重要韵作 期，稳疲遗魄给大爵径簿耩废蠢学元释静翔王释捡灏提蠢了受精鬻高更新韵簧 求。 本文鼹爨了_ 释“髑囊克一埝特燕渡前探溺涪裣溺大垒鏊远系统”的凝体方 寨。该方寨黯扩太空阕溺霪范嚣、僚戆囊空耀分辨攀、离 9 曩赣发和实雾誊浃逮 测量以及降低成本等方面肖重要意义。 该穷寨瓣 堂攫l 努法与经典的麓点法、睦黪曼法等以及于涉法甥篦较，簸理 新颖，也不瓣任倪外部债标或栝凇大平蕊反射镜摄供工作参考基准。它遇过鬣 予能够沿导轨平台遴动的运动导轨上酌五角棱镜光策转向系统完成对予孔径的 扫描采样，网时采用渥挖期顿棱镜型双频激光于涉仪实时测震五角棱镜的微偏 角，以便修正扫描光束转肉的波前误差；蹋哈特燕一爱克波前传感嚣掾测子孔径， 获联各个子孔径鹁警麓浚翦籍率，获中去除摆臻激巍寨转淘鹣波髓顿斜谟莲等 系统误澄，得到望邋系统自身引起的波前倾斜率，以便分析制造误差和安装谈 差，戬徐涯秘提离太鳖鬟遮镜系统戆袋像等工幸筝矮薰。 本论文慧绞分掇讨谂了套角嶷剑遗误差懿轰焦棱镜由予极城运动 陡l 靛奁 三维方向有微小偏角时使光束转向改变波前的鬣杂情况，邋过计髀机模拟试验 涯明了l 圭l 予墨燕棱镳豹懋度制造误麓鞫运动误差g l 起的波懿改变量是霹分褰 豹，并绘出了有角魔制遗误差豹蕊角棱镜光束转向波前误麓的捡溅分离方法， 有稳予五角棱镜先采转游系统在大型蘩透系统豹渡静检铡审发簿嫩佳效靛。 i # # 川丈学磺i 二论冀薅簧 本文还餐要论述了 卜s 波翦探测技术，分拆讨论了去除光束转自波裁误差 和其它系统误差的方法，并用模j 警l 试验进一步予以说明。 本论文为今瑟遴一多戆臻究秘实际稔溺籍下基磷，有穰于大溅望远系统酌 波前检测。 荚键谪；大型望远系统波翦检测五热棱镜角度制造误差 _ s 波兹传感器 波前重构 蕊媸夫掌礤圭论文 s t u d yo nw a v e f r o n tm e a s u r i n gt e c h n i q u ef o rl a r g et e l e s c o p e s y s t e m a b s t r a c t l a r g et e l e s c o p es y s t e mp l a y sq u i t ea r ti m p o r t a n tr o l ei ns p a c es c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , m i l i t a r ya f f a i r sa n dn a t i o n a ld e f e n c ee t c m e a n w h i l em o r ep r e c i s el a r g e a p e r t u r eo p t i c a lc o m p o n e n tp r o c e s s i n ga n dt e s t i n gt e c h n i q u e sa r ec o n f r o n t e dw i t h f l i n t yc h a l l e n g e w ep r e s e n tad e t a i l e dp r o j e c to fu t i l i z i n gt h ew a v e f r o n tt e s t i n gm e t h o dt ot e s t l a r g et e l e s c o p es y s t e m ，w h i c hi su s e f u lt ow i d e nm e a s u r i n gr a n g e ，t ok e e ph i g h e r s p a c er e s o l u t i o n a n dm e a s u r i n gp r e c i s i o n ，t o a c c o m p l i s h r e a l - t i m ea n df a s t m e a s u r e m e n ta n dl o w e rc o s te t c c o m p a r e dw i 也s t a rt e s t ，h a r t m a n na n di n t e r f e r o m e t e re t c ，t h et e s t i n gm e t h o d o ft h i sp r o j e c tn e e d sn ow o r kr e f e r e n c eb e n c h m a r kg i v e nb yb e a c o n i n go rs t a n d a r d l a r g ep l a n em i r r o r ，a n di t sp r i n c i p l ei sn o v e l t y 。s c a n n i n ga n ds a m p l i n gw a v e f r o n to f s u b a p e r t u r e si sf u l f i l l e db yt h ep e n t a g o n a lp r i s ml i g h tt u r n i n gs y s t e ms e to nm o v a b l e r a i lw h i c hc a nm o v eo nt h er a i lp l a t f o r m ，m e a n w h i l e ，t i n yl e a n i n ga n g l e so f p e n t a g o n a lp r i s ma r em e a s u r e db yw o l l a s t o nt w i n - f r e q u e n c yi n t e r f e r o m e t e ri no r d e r t oa m e n ds c a n n i n gl i g h tb e a m st u r n i n ge r r o r s h ss e n s o rd e t e c t ss u b - a p e r t u r e st o g e ta l lt h es u b g p e r t u r e s a v e r a g ew a v e - f r o r ts l o p e s ，f r o mw h i c hs y s t e me r r o r s i n c l u d i n gw a v e - f r o n te r r o r so fs c a n n i n gl i g h tb e a mt u r n i n ga n dw a v e + f r o n te r r o r c a u s e db yl a r g et e l e s c o p ei t s e l f , t h e nw eo b t a i nt h ew a v e f r o n ti sr e c o n s t r u c t e dw i t h a v e r a g ew a v e f r o n ts l o p e so fs u b a p e r t u r e st og e tl a r g ea p e r t u r ew a v e * f r o n ts u r f a c e s ot h a tm a n u f a c t u r ee r r o ra n df i x e de r r o ra r ea n a l y z e dt oa s s u r ea n di m p r o v ei m a g i n g q u a l i t yo fl a r g et e l e s c o p es y s t e m w em a i n l ya n n y z e dt h ec o m p l e xs i t u a t i o nt h a tl i g h tb e a mt u r n i n gw a v e f r o n t c h a n g e sw h e np e n t a g o n a lp r i s mw i t hm a n u f a c t u r ea n g l ee l t o r sa n dt i n y3 - da n g l e s i i i 秘， l | 大学硕士论文摘要 c h a n g e sc a u s e db ym e c h a n i s mm o v e m e n t ，c o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o w st h a t w a v e f r o n tc h a n g ec a u s e db ym a n u f a c t u r ea n g l ee r r o r sa n dm e c h a n i s mm o v e m e n t e r r o r sa r es e p a r a b l e am e t h o dt om e a s l l r ea n ds e p a r a t el i g h tt u r n i n gw a v e f r o n t c h a n g et h r o u g hp e n t a g o n a lp r i s mw i 血m a n u f a c t u r ea n g l ee r r o r sa n dm o v e m e n te r r o r i s p r e s e n t e d ，i ta v a i l sp e n t a g o n a lp r i s ml i g h tt u r n i n gs y s t e mt of u l f i l li t sb e s t p e r f o r m a n c ei nw a v e f r o n tt e s t i n go fl a r g et e l e s c o p es y s t e m 。 h sw a v e f r o n tt e s t i n gt e c h n i q u ea n dt h em e t h o dt ow i p eo f fs y s t e me r r o r s i n c l u d i n gl i g h tb e a mt u r n i n ge r r o ra r ea l s oa n a l y z e da n ds i m u l a t e db yc o m p u t e r , t h i st h e s i si sab a s ef o rf l l , n h e rs t u d y i n gw a v e f r o n tt e s to nl a r g et e l e s c o p e s y s t e m s 。 k e yw o r d s ：l a r g et e l e s c o p e ，w a v e - f r o n tt e s t ；p e n t a g o n a lp r i s m ；m a n u f a c t u r ea n g l e e r r o r ；h sf r o n t - w a v es e n s o r ；w a v e - f r o n tr e c o n s t r u c t i o n 删川大学删士论文第翥绪论 第一章绪论 空间科技、国防军事等领域迫切需要增大光举系统的口径尺寸，以提高空 间分辨搴蠲集光能力以及信噪比，并且达到长焦鼷和大视场。例如，人类为了 研究字富豹结稳及其演变对人类的影确，需要采翔更丈日径静望远系统测爨天 体的大小、位置和运动以及温度、质量和磁场等性质，并通过成像、光谱和光 度等探测新天体和地球以外生命以及适宜人类生活的新空间等，进而进步开 发秘弱蠲字塞，魄翔裂瘸太空镦夔力秘秃污染遨零亍特毂药、曩嫠半导体攀菇、 高纯度玻璃纤维、泡沫金属、种子处理和生物医学等研究，蜜置通讯、气象、 遥感遥测等科技探测卫星，建立空间实验站、修理站，利用月球作洲际宇航发 射站和无大气滚流天文浸溅菇，开其蘧上氦3 竣燃料等b j 。可见，大型臻送 系统正嗣蕊发挥极其熏要的作用，为j 毙各国不僭投入匿资竞鞠研制大型空间望 远镜。但鼹，这相应地给大口径高精度光学元件的加工和检测提出了更精霹高 更新的要求。 1 1 大型憋远系统简介 入翻恕望远镜煞淹学系统麓豁为望远系统，宅是自秘镜( 烹镜) 和鏊镱缀成 的，其繁本工作原理怒由一个长焦距的物镜将遥远物体的影像聚焦，再在焦点 附近用一个短焦距的日镜把这个影像放大。望远镜可分为三种类型：折射式、 爱菇式移攒反式。 大黧艇远系统大多数采用静怒发射式或者折葳式。这是由于折射光学系统 存在材料制备和重力变形等困难无法克服，相比之下，反射光学系统具有没有 色差、工作波段宽、祭统焦距长和辘筒短等优点，易于做成大孔径，并且巍反 射疆形状合适辩，又弼黻校歪薄差帮慧蓑等豫麓，因蓝被广泛用于天文俊器和 军事及航天等领域。例如，下图中遮种“2 4 m 瓣遁镜r c 系统”即是反射式望 远系统，它的主镜稍副镜分别是凹凸旋转双曲丽镜，工作于c a s s e g r a i n 和 n a s m y t h 焦熹，宅院镬藕霜撵精度豹璩覆羲考受爵鹣像震，虽霞大蜀爱秽长焦 而具有较高的分辨率和较大的视场释优点o n 。黼前我国最大的光学望远镜即为 l 纠川大学硕士论文第一章绪论 类登，这痊口径2 1 6 m 酌壤远镜坐落褒酒j 害兴隆墓海拔1 0 0 0 m 豹由矮上貔。 m 图1 - 12 4 m 望远镜镜r - c 系统的光路图 大口径光学元件( 尤其是非球面的) 的加工非常困难，不可避免地念出现 制造误差，同时系统在装配的过程中也会存在安装谈差。比如，大型r c 系统 熬杰嚣工，数果镱垂镳褰了没诗瘊要求的旋转双兹嚣，靛会史凌毒递误差使系绞 成像时出现像蕴；如果主镜和副镜之间的相对位置不合适，会出现焦偏和轴偏 筹安装误差，使系绕就不熊禳好遗工 挈予c a s s e g r a i n 帮n a s m y t h 焦点上。峦予 系统的制造误差和安装误麓都会影响它的工作质量，所以，必须给予检测修正。 2 光学检验概述 光学检验是采用一定的原理、方法和透避一定检测手段获取光学元件和系 统蛉质量信息，用乎改进必学元传和系统的设计、制造和安装以及校莲锷各个 环节，以保证和进一步提高光学冗件和蒜统的质量。 2 豫矮浮徐耱纂本裱攘 袭浅学梭验实躐中，人餐苓翳：隧掇港了些爨壤评蛰媳基本掇标终为豫凄 2 翻川 学硕士论文第一章绪论 评价兹依据，魏凡穗臻羞、点裂翳、波像差、点扩教丞数、毙学传递爨数、环 绕能和斯特列尔比筹。通常它们之间是可以相互转换的i s 。、 凡露橡差 理想光举系统所成的像是理想像，而实鼯光学系统所成的像都不可避免地 具有系列的缺陷。人们把实际光学系统所威像的位置和形状跟理想光学系统 成像的偏差栋为咒键像差，往缝蕊称必像差。缘羞懿大，、反唳了光学系统成像 质量的优劣。以单色光成像时产生的单色像麓有：球差、慧差、像散、像面弯 趋( 鬣称场麴) 和靖交；激复惫光藏像对产袅静复惩豫差有：转淘色菱( 又称 位置色差) 和横向傻蓑( 又称倍率色差) 6 1 。 点列豳 罄是把光学系统蛉光阑分或许多棚等鲍小区域，遁过每个区域中心遑迹一 条从选定的物点发出的光线，光线与像面交点图是像点照度分布的近似表示。 遥迹静光线越多，逶觳稷度越好。这檬豹光线交煮辫称袭患裂罄l 钮。 波像麓 蓿是以光程差表示光学系统的像羧称为波像差，那么出于系统的对称性， 波像燕w 可以表示为像离葶b 手l 饺的多项式： w = z c a b 办8 c o s c 0 ( 1 1 ) 荑中c a b c 是数毯系数，。a 、b 、c 、秘嚣是歪整数，茭关系楚a = 2 i + c ，b = 2 n c ，y 媳像离，f f 劝和妒是光线与系统光髓交点的极坐标。c a o o y a 一项确定为零， 印2 是等效予像面( 绒参考褥) 豹缴向位移，c t z t p c o s q , 项燕等效予参考点的垂奁位移 ( 即像赢变化) 。后两项被称为一级项。象差的级是由a + b l 给出的。露下面五 项是三级像麓或称塞德尔( s c i d e l ) 像麓： 蜷差c 群 慧差 c m y p 3 c o s 像散和场强 e 2 2 a ) 矽+ c 2 2 2 卉= c o s 2 v 畸变 c 3 y o s 妒 多项式中有两个一级项，五个三级项，九个溉级项啊 鹳川大学硕士论定第一章鳍论 2 ，2 光学捻验熬蒸本方法 光学检骏嚣要镑对不霹静梭验对象窝捡骏要求采雳逡寰豹髹理、方法葶嚣手 段，为此发展了很多种光学检验的方法。 檬痿检验韵方法觳可敬分为两大类：楚蕊寮耪嚣璧像点交纯的像点法， 用于获得几何像差，如星点法、焦面法、光阑法、怀特豪尔法以及哙特璺法等； 二是观察和渊量波颁变化的光隆法，用于获褥波像懿，特点是直接观察光瞳上 凰形鲍变化寒判断像差，皴于涉法、朗奄法( r o n e n ) 、弱影法以及数斑( s p e c k l e ) 法、全息法、莫尔( m o i r e ) 技术等等。一般情况下，这两种方法之间是可以互相 换算黧【8 l 。 星点法( s t a rt e s t ) 擞点法怒研究点光源经过被检验光学系统所成的像，并根据其相对于理想 像的镶差来确定光学元传秘系统像囊黪。星煮法是成像光学系统像质梭验的一 种最基本最简便的方法，原则上可以通过光电测量蜜现定麓检验，但是在实际 中进行鲍几乎总是嶷蕊秘淖定鬟戆星煮硷验，宙予粪疆鬣溺秘经验翔瓤主戆主 观性，它不能满足现代光学元件的加工和检验的需要p j 。 光阑( s c r e e n ) 法 光阑法怒在预先设定的一系列位鬣离散采榉篱鼗测量的波匿以获取樽本及 样本之间相互关系的信息，然后蘑构被测波面获得被测系统的波像差。由于它 基于筑蔻霹途径，掰鞋将澍遥瘸予繇境熬震囊帮空气戆扰动等影穗不g 够被避 免或被有效消除的大型镜蕊的检验等【4 j 。 稿影法( s c h l i e r e nt e c h n i q u e s ) 毁影法怒利用遮挡、限制等手段检验光线由予绦差、衍射或藤形的变形等 原因造成的对预期轨迹的偏离，多用予检验光学面形。它麒有仪器结构简单、 灵敏发麓、检验抉逮等傀纛，毽怒多惩予定瞧梭验，憨晨鬟簧事室魏捡验经验【5 l 。 干涉法( i n t e r f e r o m e t r y ) 予涉法怒幂j 雳鼍：涉骈形藏瀚被硷光学元件豹子涉条纹强进彳亍像矮检验。、它 的灵敏度很赢，是巍今光学元l 串和系统像质检验所聚用的燕要方法之一。但是 干涉法又有对光源的相干性和检验环境的要求相当商的限制性，当测量仪器周 曩魏气滚较大黠缀雉获终予涉躅，特裂是慰巍径较大驰光学元终鞫系绞蹲l 。 4 叫川人学硼卜论文 第一章绪论 全息法( h o l o g r a p h i c ) 全懋法是弱瑶予涉原理将来鑫被检蠢学元件耪系统静竞滚渡蘸以予涉条绞 的形式记录到介质上形成的全息豳中作为评判像质的根据。它的存储性和延时 性是优予常规干涉测试的独特优点，但检验方法茬口分析技术摄杂、精度不够稳 定，困诧难戳浃速、壤确羹羹给蠢狻溺绥票q 。 哈特曼滋( h a r t m a n n ) 哈特曼法属于光阑法，它是从几何光学的观点出发来研究经过光学系统后 鲍会聚光柬偏离同心昭程度，戮确定旋检验系绫敬厦量戆像燕捡定方法。可以 检测密光学元俘和系统的球差、慧麓、场莛秘像散以及位置色差等。这一经典 方法至今仍在大型天文望远镜主反射镜面形误熬的检验中经常被采用。但是， 经典哈特曼法中焦面前后截得的光斑直径较大，光斑中心坐标的测量精度较低， 磊盈只弱焉了是藏上辩孑l 部分躲必绞，蠢蕤豢失较大h ”。 3 大溅望远系统波麓检测的一釉方寨 1 3 1 必口径光学系统统检测的湖难 大躁径光学系统的检测由于一赢受至i 庞大的设备费用秘测量设备鲍较长加 工薄期豹隈割覆没鸯褥鬟缀磐静瓣决【2 1 , 往往蔻藏搴毫纛空阏分辨率低。 对于大口径高精度光学元件( 直径为米级) 羽检测，如果能够把直径l m m 的细激光扩束约1 0 0 0 倍( 甚至以上) 达到与被检测元件口径尺寸相同或璺大的 饶囊平灏波，著整鼷一决与棱检测元箨翟经足寸穗惩或受大熬严揍标准爨俘为 全孔径的标准波面，照可以达到瀚精度的检测簧求的h 孤。但怒，如此大的激光 扩束比和制作如此大的严格标准件，就目前而宙。显然是难以达到这种要求的。 对予丈口径兜学系统豹衰糖魔检测，若罴鼹经典的鬟点法、阴影法秘魄奇 法等传统方法难班寇蘧给密误差蒋悫。菪采焉节涉法，由予髓检测环境气流、 温度变化等因素的影响和外部条件的限制，采样检测结果的可信度大大降低， 有时甚黧根本无法实瑷采样l i 引。 p q ) q 大学硕士论文 第一南绪论 1 3 2 大口径光学系统绕捡测的发展 1 9 8 2 牮，c j k i m 錾予冶特曼法提出了用予孔衽的方法检渊大型光学表谳， 随后r a w i l l i a m s 、o y k w o n 及g n l a w r e n c e 等人将这种方法用于检测天文鬻 远镶和反射镶l l ”。1 9 8 7 箨美国用这秘方法检测了2 4 m 蛇光学系绞，1 9 9 2 年法 国检测了2 m 的望远镜系统。1 9 9 2 年，上海科技大拳应雳毙学与梭测实验鳖发 展成功了多孔径重叠扫描拼接技术，搦描检测各个予孔径后将每个子孔径检测 结果拼接越来得到全孔径波面【1 2 1 。 这穆孑魏径波瑟台袋方法是蓦予滁特曼方法，藏是矮跨黪避毙阑或徽，j 、邋 镜阵列将蹩个被测波面分成若干个细光束，利用一个较小口径的光学系统依次 测量各细光束波面的平均斜率或曲率，即测量相应的光线的相对方向，然后根 撂渡瑟斜率羧合诗箕爨拨溅渡瑟驻2 l 。镁懿采嗣交荣横良葵甥予涉仪，使旋转豹 r o n c h i 光栅对波面剪切避行信号调制，可以测出孔径的波面曲率，但是它结构 复杂，而且释易产生2 硝捆位混淆【16 】。 奁哈特受( h a r t m a n n ) 法基础上发髓艇来的哈特摄一夏竟波静健感器，其结奉奄 筒单、紧凑、固定，可搛鞭任意籀位波蕊( 繇采檬攀元兹穗霞差大子2 石遣可测 量) ，不需癸精确调整，参考基线是离线标定的，动态误差可以通过多次采样平 均来消除，测最结果可岛光线追迹相比较。与干涉测量仪相比，它采样比例较 蔫、焉重复羧簿、抗嚣壤予挠往好秘数握霉蘧蹙毫，溅壁糖度麓，p v 蓬霹这翮 v 1 0 ，r m s 值达到k 5 0 ，测量动态范围大，光能嗣用率高( 几乎1 0 0 ) 1 4 1 0 6 1 1 1 7 1 。 1 3 3 夭鼙麓远系统秘浚麓捡溺 波面通常是指某一时刻空间波场中等相位点的凝合。波前则是指波场中任 一爨考察懿平嚣。往往怒犬镯仅仅震瓣考察莱警嚣土斡光波场分蠢，因此， 实际中使潮波前毙波瑟受方便秘蔓经辩鉴球飘。 波前检测，就是人们使用检测仪器通过一定的检测方法( 或方案) 对镒鬻 检验的某警藤的光场分布进行捡验髋测量，获取其位挺分布，以便做出像艨 浮徐或壳豢壤爨分鞭等。 采用波前检铡法检测大口径望远系统，是用标准平面波溉入射到望远镳 6 p u ，i j 人学硕i ”论文第一章绪论 系统，如果系统无任何像差，出射光也应是平行予光轴的理想平面波，否则该 鑫辩浸嚣会发生蟪交。逶逮裣溺该泼蓠轮薅，谫鞋综合分疆大叠径望远悉绫戆 制造误差和安装误差。 1 3 4 犬激望远系统液蘩检测魏一稀方案 我们课题组设计了一种大型塑斌系统波前检测的具体实施方案，其基本方 法是，姆被测大孑l 径波蘸翅分成一系列独立的子我径波耍，嗣爱壳一哙特曼波藏 传感器搽测出子孔径的平均渡前斜率，通过渡麓爨构的方法拟合计算出整个大 孔径的波丽，分析所测塑远系统的制造误差和安装误差。 该方窳对扩大空澜测量范围、保持高空间分辨率、嵩测爨精度和实时快速 测量戳及簿低残本有羹簧意义。冀中“精确蘧搽溅予孔径熬乎均渡前瓣率”帮 “有效而精确的拟合算法”是整个方案技术的关键。+ 课题以此为中心展开研究， 包括以下四个部分：一是激光的稳频和扩束准威，二是扫描激光束的转向，三 是子i l 经豹波兹搽测，靼是渡瑟数会。 1 4 本论文研究重点 本论文主要研究了五角棱镜扫描激光束转向系统，分析讨论了五角棱镜的 角度制造误差和运动谈箍对波前测嫩的影响，肖利于更精确地进行子孔径扫描 以便精确地探铡获取予孑l 径波前，灾现大型望远系统的波前检测。 奉论文还篱述了大鍪望远系统浚蓠检测靛冀它主要援术，骰了基础 燕礴究 工作。 本论文的组织结构如下： 第一浆：在篱分大整望远系统秘毙学检验躲蒸零方法之麓，篱要说鬓了“大 型望远系统波前检测的一种方案”的建立，最爝指出了该方案的 主要技术和本论文的研究重点和主蒙内容。 第二攀：篱述了该疆“大型望逡系统的波懿检测”方寨貔蘩本蒙瑾、检测 装置和检测流程。 测f | 丈学龋土论文第一章绪论 第三章：分援讨论了璎惩五麓棱镜爨有三缀徽镶焦靖毙寨转蠢翡滚籍误差 及其对波前测量的影响。 第阏章：分耩讨论了有角度制造误蓑的五角棱镜在有三维微偏角对光束转 向的波前误蓑及其怼波蘸测量的影响。 第五章：设计了“用滏拉斯顿型双颓激光干涉仪测量五角棱镜的微偏角” 戆方案，谨磋了测量戆基本暴理勰工作过程，劳分攒了误差源。 第六章：简要论述了波前探测技术，分析讨论了去除光束转向波前谈差和 其它系统误蓑豹方法，并爝模叛试验迸一步予良说鞠。 第七章：对自己所做的课题研究和本论文做出概括性总结，并对下一步的 研究工作出展望。 ，5 本囊小缝 本拳首先键要介缨了大型望远系统的重要作用弱缀成等，然詹篾要谈嘤了 像质评价的基本依据和光学检验的基本方法，接下来简要介绍了大口径光学元 箨捡灞瓣发震，然惹箍荸分缓了我稍设诗懿“大型望逡系绞熬渡嚣检溅黪一耱 方案”及其主爰技术，最后指出了本论文的研究重点和主要内容。 g 9 q 川大学硕士论文第三章五角棱镜的运动误差对波前测量的影响 第二章大型望避系统前波菊检测方案 这一方案是“用嗡特曼一夏克波前探测法检钡4 太型望远系统”，图2 - i 魑检 测示意慰。 i 7 f 畏 = 主艳轴z 孓3 卜稳频的单频h e - n e 激光器系统2 一激光扩束准直系统 3 一蕊焦棱镜光束转向系统4 一大溅凝远系统5 | 一s 渡兹传感器6 一诗算掂 图2 - 1丈型箜远系统波前检测示意图 2 。 检测的基本鹰理 如图2 1 所示，将所测望远系统的整个大孔饭划分成一系列独立的子孔径， 稳频的单频h e n e 激光经过扩束准赢后，由五角棱镜光束转向系统转向后作为 拯捶豹凑平覆波，按照浚诗照子手l 经鑫是( 鄂予菇经扫描爨缎 蔹次据爨各予 孔径，嗣时哈特曼一爱窥波前传感器探测各子孔径的平均波前斜率，由计算机按 设定的獠岸，通过波前黧构得出整个大孔径的相位分布( 波筒) ，最后分柝波面 中的像差信息，获褥被检测望远系统豹专造误差翔安装误差。 2 2 检测装置简介 稳簇麓单菝 转截e 激怒嚣系统，主要蠹稳簇激巍管帮稳灏俑强系统缎藏， 9 叫川人学硕士论文 绡兰章五角棱镜的滋动误差对波前测攫的影响 可暾输出方向性、单色艘、根于性和稳定性极好豹o 6 3 2 8 0 1 t m 的h e n e 激光，功 率为忍至咒毫瓦，露魏波长歪鳋鞲程c c d 光谱桶寝区穗对灵敏度静凝谴辫近 “”，因而，h e n e 激光魑用于大型望瓶系统波前梭测相当理想的光源。 激光扩柬准直系统，采用倒置的凝远镜系统。该系统的目镜和物镜对激光 凑簸光束的光簇连续敛涎次扩寒准纛交换，在压缀激光发教燕、达裂良努聚煞 效果的蓊掇下扩大光荣翻径，获得满足子孔径探测豢求的高质量的平行光束驻稍。 扫描激光束转向系统，由两个五角棱镜组成。因为光线在五角棱镜主截丽 悫的转向角度只与鼹反射露的夹角有关，鼯傻入射光线与入射聪薨菲严捂垂焱， 出葑光线豹方向都可以傈特与入蔫季激线垂矗，这别精确垂壹遗转向，丽且幽予 是平面反射而不会产生像差和色差【2 ”。但是，由予五_ 角棱镜的制造误差和运动 误差会使熬准扫描光束转向而引入坡前测量误差，本文对此做了较为详细的研 究，毒娶予诞整导戟帮戆寨转囱系统。为了尽胃戆洚抵五受援镶懿翻造误夔鞠 运动误差澍波前测量的影响，设计了一种对扫描激光柬转向误激进行检澳1 分离 的方法，使波前误差得以修正。 待溅瓣大型望远镜窳缓，峦共焦熬太戆镜弱小瓣镶组成( 参冕图l 1 ) ，嚣 镜对光波肖相位变换作羽，这是由两镜本身的性璇决定雨与入辩光波复振幅的 具体形式无关【1 0 】。如果怒理想的光学系统，入射的平行光束( 平面波) 通过大 物镜后变为会聚光束( 球丽波) ，小目镜将球面渡又变为平匿波：如果光学系统 有误差，入麓的平蟊波邋避被嚣静毙学系统藏交脊髓变能渡瑟。 h s 波前传感器是翻前常用的离精度测量波前斜率的工具，由单个标猴邂 镜和c c d 相机组成。它的基本工作原理是，以通过子孔径的平行光束在位于邂 镜焦嚣上黪c c d 援淫嚣瓣鼹嚣主聚焦彩藏毙斑兔参考熹，测夔入射穗交光波逶 过透镜在靶丽上形成的光斑的质心使鬣的偏移量，可以确定通道子孔径的畸变 光波的平均波前斜率。 计算梳依照事先设诗努斡程序辩袋祭到的数帮避霞处理。蕾建交h s 健感 器溺出入射酶变光波光溅质心谴萋瀚壤移薰，求出通过子税径的畸变先波鹣平 均波前斜率，然后由备乎孔径的平均波前斜率进行波前重构，拟会计算出熬个 大孔径含肖畸变波前的棚位分布( 波艘) ，获取所测望运系统的球差、像散和慧 差等稼差遮筵巷遥误差秘离焦、颓耩镶鹫耋等安装诿差，鞋爱宠成大鳖望邋系 统的快速安装和校验调熬，以改善提离它的像质b “。 1 0 心川1 入学碳卜论文籀三章五角棱镜的运动误差对波前测量的影响 23 检测流程 调整置予平套导辘蘸第l 纛热棱镜，使激光柬转蠢磊沿x 躺正商 射到第2 五缃棱镜，固置着第2 五角棱镜的避动导轨沿平台导轨步 进，通过五角棱镜光束转向系统转向后的激光束按子孔径稚局依次 黠子i l 径避弦拯箍，直至竞娥瓣整拿丈魏檄豹各子i l 经戆聿叠撵 | 对地探铡通过每个擞邂镜的光束波前并获取数据 计算梳峦设定静程序，先辗精每个子魏径静赡斑质心静偏穆鬟，计箕 每个子孔径的平均波前斜率，再据此拟合计算出整个大孔径的波面， 摄后由计算机分析大孔径的波面。获取所测搬远系统的球蓑、像散幂i 慧差等缳差遨整臻l 造误差鞋及离燕窝颓斜煮簿安装误差 2 4 本拳小结 强2 - 2 大型塑远系统波前撩虢流程匿 本掌从检溅的基本原理鞠装鬟以及捡铡流程足个方匿，麓耍分缓了“鼹嗡特曼一! 渡翁探溯法检铡大囊臻远系统”方絮。 i z _ q ) l l 大学硕论文 第兰章五角棱镜的运动误羞对波前测擞的影响 繁三章五惫棱镜的运韵误差对波前测量的彩瞧 五角棱镜扫描激光涞转向系统，是进行子孔径波前探测的前提条件，也是 决定波裁攘 燹| | 穰度弱关键之一。 3 1 理想媛角棱镜组成的光束转向系绫 3 1 1 理想氘角棱镜的特性 五角棱镜具有使光线转折9 0 。的搬学特性，圈3 一l 是五角棱镜的主截面示意 圈。只要入麓光线涎方弱鋈定，帮疆纛惫棱镶在曼簸瑟蠹有些镳转，爨袈巍线翡 方向仍始终保持与入射光线垂直而精确垂直地转向，而且因是平面反射而不会 产生像差和色差。因此，我们采用了溉角棱镜使扫描激光束转向。 入射 l 曼鬃 = 弋 圉3 - 1五角棱镜馒光线垂直转舞蓬3 2 嚣是援镶光束转巍系统 3 1 2 扫描激光束转向系统 懿圈3 2 蒺示，搀攒激毙素转囊系统叁嚣令基建棱镜缝藏。繁l 五焦棱镜溺 定于导轨平台上，可以随导轨平台在熙直方向运动，而在第2 五角棱镜固定予运 动导轨上，随运动导轨熙在水平方向遮动( 参见1 n 5 - 3 ) 。该系统可以将入射的 激光准乎瑟波连续嚣次藏矗逸转淘，黯盼光豪仍兔警蕾波，被髑俸扫描准平灏 波送行子孔径探铡。 心川人学顿“卜论文第三章五角棱镜的避动误差对波前测量的影响 3 2 运动谖羞产生的光束转向的波前误差 3 2 1 遂_ 劝误差造成光氟转向误差 在实际测量的过稷中，由于第2 五建棱镜随邋劝导轨在并非严格平直的馨轨 平台上移渤薅会发生三维缓镶转，壤秘令五驽搂镜魏童藏蚕不雅严疆荚瑟躐平 行，致使第2 五角棱镜的工作状态发艇改变而不熊使扫描激光柬精确垂直地转 向，从而使每一子孔径测量中需要的标准正入射平面波的入射方向发生改变， 绘波女测爨豢寒一定懿误差( 参显圈2 - 1 零3 2 ) 。瑟骧，霉要热以分嫒磅突绘予 修币或补偿。 五角梭镜由于机械运动引起的在三维方向有微偏角时使光束转向改变波前 的情况魄较复杂，那么，第2 五角棱镜在三维方向肖徽偏角时锼光束转向的误差 到赢是慧释兹疆? 第2 五角棱镜所她自啦置可看作是 从标准位鬣经三次微小转动而来先 绕苫辘转淤角旁l 、霉绕y 辘转葫绣、最 后绕z 轴转动岛( 参见图3 3 ) 。那么， 第2 五角棱镜在三维方向有微偏角时使 光寒转囱的误差，可以逶过棱镜转动定 理得戳求解。 3 ，2 。2 援镶调整兹毒关壤论 l xi 1 n齐。y ；k ； 支z 。 圈3 - 3 五角棱镜光柬转向误差 向量转动定理是：辩初始向量，绕声轴有限转动0 角后的终止向量为，则 r2 a ( 啦r ( 3 i ) 葵孛多= a i + p j + 霭 ( 3 。2 ) 而a 。为肖限转动的交换矩阵 i ( 1 一c o s o ) a 2 + c o s 0 ( 1 e o s o ) a p 一, s i n o ( 1 一c o s o ) a ) , 十f l s i n o | 哇玲= l ( 1 一c o s o ) a f l + y s i n o ( 1 - c o s a ) , a 2 + c o s 01 - e o s o ) 彩一a s i n o | ( 3 3 ) | ( 1 一c o s 0 ) 唧一f l s i n o ( 1 一e o s o ) b r + a s i n og c o s 0 ) r 2 + c o s 0 塑型奎鲎鎏：! 鎏塞 簦三塞至墨夔鐾塑至翌堡茎墅鎏萱塑墨墼墅婴 一。 棱镜转动定理憝；缀定貔空阉不动，棱镶绕转g 烈豫空闷蓄先绕；转 ( 一1 ) “0 ，然藤绕芦转日。数学表达式为 【a j = = 【( 一1 ) ”1 存芦j + 学歹j( 3 4 ) 这里为表示棱镜转轴方向的单位向量，f 为芦在像空间的共轭像，因是平面 反射，故芦也为单位向量；0 为有限转角，不妨规定迎着光轴猎时，逆时针 转楚为燕，颞黠针转是巍受；n 为爱射次数； a 】馋为爨空阀转动状态鹣代号。 可见，当物空问不动丽棱镜做一次有限转动时，像空间绕一对共轭轴先后 骰两次有限转动。簧确定像点静位萋帮肇位商餐的方向，实质上其要解决一个 点或一个单伎向量绕已知轴转动商限角度后的位置或方向就可以了。例如，在 蕴角坐标系o - x y z 中，棱镜绕芦转0 ，剐像空间先后绕芦在像空间的共轭像和 筘皇身徽嚣次毒5 垦转动。瑕定囱爨愆起点都取在0 点，初始向量，先缓爹= a t + 办十y k 做第一次转动角度口= ( 一1 ) ”1 稃后的终止向缀为，l ，也就最第二次绕芦 = + 彩+ 零转动静褪始藏鐾，第二次绕多转韵舞疫0 震鼹终壹囱量为r 2 ，篓l 。 ，l 。a ( 。，r r 2 = a i ( 1 一c o s o ) a ? 一1 3 s i n 0 ( 1 - c o s o ) d + a s i n 0 ( 1 一c o s 0 ) 7 2 + c o s o1 名，= 佃) ( 1 一c o s 0 。) d ”+ c o s 0 ( 1 一c o s 0 ) a p 。一y s i n 0 。( 1 - c o s o ) d v + p 。s i n 0 ( i - c o s o 。) a + 7 7 + s i n 0 ( 1 - c o s o + ) 叠+ 2 + c o s o 锺一c o s o ) 箨7 一程s i n 0 ( 1 一c o s 0 ) a y 一p s i n 0 ( i - c o s 0 ) 1 3 。y + o 【s i n 8 0 - c o s 0 。) y 2 + c o s o ( 3 7 ) 成该注意的是：由于裔酿转渤不符合加法交换律，豫空间的转动情况甭先 后绕多1 和芦的嚣次转动来裘示时，。两次转动豹顺序是不能够颠倒的。 一般来说，棱镜转动时需要考虑像空间方向和使置变化的问题。但是，在 平嚣炎薅中，只需考虑像空藏静方蠢瑟不爨考感控饕，瑟哭爨考虑像镳转无矮 考虑像移动。因此，只要考虑棱镜的反射和转动以及光轴的方向就可以了，而 无须考虑棱镜静拆射和移渤班及托轴的位置网。 1 4 些幽查堂堡杰笙壅塑兰兰亘塑璧蹩塑垩垫堡鲞堕垫萱塑苎丝堕 32 3 遴动误差产生的光束转向的波前误差 根糍棱镜转动定璎等棱镜调整避论可知，鬟确定棱镜出瓣光线的方向，只 要求出出射光线的初贿方向向量绕融知轴转动厝的终止方向向量就可以了。 因为五角棱镜的殷射次数n = 2 ，所以物像棚似，那么，x 、y 、z 轴在像方 空闽对藤麴共毵橡辆分嗣为岛、y o 、z o 辜鑫( 参嚣强2 一l 霸3 3 ) 。两坐标系璧标 轴的方向之间的关系为 i = - j 。， - i 一如， 厅= ( 3 8 ) 第2 五受棱镜澄x 辘歪是的入瓣毙线豹方囱彝量r = t ，簧逡瓣毙线懿扔始 方向向鬣为 r o = i 。 ( 3 ，9 ) 五角棱镜绕戈辘转动最时，像空间先绕x 轴的共轭像辘粕轴转动一囟麟再 绕x 辍转动0 l 。 匿z 黧l 委囱与强辍涎两复窝，宅豹方囊蠢量l 一嘎。攘据式( 3 2 和3 - 3 ) 可以写出五角棱镜绕x 轴转动口l 的两个变换矩阵为 刚绕x 辅转动后像空闽光线的方向为 1 2 a 1 a l 何o ) t o ( 3 1 1 ) 五角棱镜再绕y 辕转动一如时，像空闯先绕y 轴的共辘像辘如轴转动一也后 再绕y 聋爨转动岛。y 辅芷囱与辘疆两嗣向，它豹方商淘嚣_ ：；f 撼菇。霞瑾蜀强得 到这次转动的变换矩阵为 lc o s 0 20 一s i n 0 2l 蔗b = 0 1o l s i 删2 o c o s e 2j ( 3 1 2 ) l 100 l a 2 ( y = l 0 e o s 0 3 7 s i n gl 【os i n 8 x c o s 0 2j 藏歇执 l9湖刚枷。嘲 壤浪o，o o 霎妇 s o l e一吼 馥 n 潞沟 障 涵 ” 4 | 墨 川夫学硕士论文第三露五角棱镜瓣运稚误差对液蓠瓣垂的影璃 则霉绕y 辘转渤蜃像窆阕懋线斡方肉为 ，2 = a 2 y a 2 0 , o ) r l ( 3 1 3 ) 五角棱镜蒋绕辘转麓岛辩，像空瀚先绕z 牟鑫酶共轭豫锸z o 毒鑫转动一岛蠡再 绕z 轴转动0 3 。z 轴正向与轴正向同向，它的方向向量k = k o 。间样这次转动 的变换矩阵为 则最后绕y 轴转动詹像空间光线的方向为 ，o 一忽= a 3 南街您= a 。留a 3 渤a 2 妒a 2 鳓氛档a l 洳，。 ( 3 1 5 ) 这就是第2 角五棱镜的出射光线的方向。 但建，女够涌出的徽小偏角怒谚睁、贫如、岛，稀岛、晓、岛怒难以藏接灞 如的，三个微偏角照如、谚出、分别是五角棱镜的l 棱在y 轴方向上的偏熊、 l 棱在z 轴方向上的偏角、，棱在g 轴方向上的偏角( 参见图3 3 ) 。由于x 。、y 、 三令棱逮分裂是原来楚在x 、y 、z 辘方粕茨三条棱迭套皇依次绕并、y 、z 辍转 幼而来，同样可以写出它们转动的变换矩阵 垮式( 3 。1 6 ) 代入，k a 酗a 秘a 错， ( 3 1 ，) i = c o s 0 2 c o s 0 3 i + c o s 0 2 s i n o a - s i n o a k j = ( - c o s o l s i n 0 3 + s i n o l s i n 受c o s 岛) 挣( c o s 或e 。s 鹦+ s i 碱s i n 寝2 s i n 0 3 ) + s i n o j c o s 0 2 k ( 3 1 8 1 6 醴弋q们1u 坞喁。峨黾 娜删。鸱。鸱!薹|。哦遇。掣一。鸱鸸。 一 一 i | ! ! 一 乙 苫 d， 矗一 婊馥 。；如喁。鹕喁哆。一嘲。一嘲蛐。 硼川大学颂- j 论文籀三章五角棱镜的遁动误差对渡前测量的影响 k = ( s i n o i s i n 0 3 + c o s o s i n 0 2 c o s 8 3 ) i + ( - s i n o l c o s 8 3 + c o s 秽l s i n 岛5 i n 如+ e o s 毋l c o s 如意 刘t a n 户t a n 0 3 t a i l o x , z t a n 0 2 c o s 0 3 t a n o y z 2 - s i n o l c o s 0 2 ( c o s o l c o s 0 3 + s i n o l s i n o e s i n 0 3 ) 所以岛盘t a 一f e o s 爨够a n ( 1 + e o s 2 啦馥0 k ( 1 + c 。s 舞每n 箍矬壤_ t 越g 国】 0 2 = - t a n 1 ( c o s 谚面a n & ：) 巩= 伙 ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) 可见，如果测出三个微偏角窟哆、和鼽，就可以由式( 3 。1 5 ) 等确定第