大口徑大視場(chǎng)校正鏡組支撐與裝配方法綜述

唐 境,張景旭,安其昌,劉昌華,陳 濤,明 名

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

建造新一代大視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡,提供大規(guī)模數(shù)字圖像巡天能力,在圖像觀測(cè)的靈敏度和時(shí)間分辨率方面不斷突破,已成為地面光學(xué)設(shè)備發(fā)展的主要趨勢(shì)之一[1-2]。

望遠(yuǎn)鏡的分辨能力與口徑成正比(分辨細(xì)節(jié)的能力=1.22λ/D,其中λ為觀測(cè)波長(zhǎng),D為有效的通光孔徑),增加口徑可以有效地提高對(duì)臨近目標(biāo)的探測(cè)能力；同時(shí)望遠(yuǎn)鏡的集光能力與口徑的平方成正比,針對(duì)大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡,提升口徑可以有效提升暗弱目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比,拓展極限探測(cè)能力,對(duì)更加深遠(yuǎn)的宇宙進(jìn)行探索[3]。因此,大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡是未來發(fā)展時(shí)域天文的關(guān)鍵。

目前,國(guó)外擁有多臺(tái)大視場(chǎng)數(shù)字巡天能力的終端/望遠(yuǎn)鏡,如圖1所示。圖1(a) 4 m Mayall望遠(yuǎn)鏡最新的主焦點(diǎn)終端,BigBoss具有3°視場(chǎng),焦比為f/2.7[4]。圖1(b)Dark Energy Camera(DeCam)是目前最成功的大視場(chǎng)終端之一,Blanco望遠(yuǎn)鏡主鏡口徑為4 m,利用其1.5°視場(chǎng)的主焦點(diǎn)巡天設(shè)備進(jìn)行暗物質(zhì)與暗能量探索[5]。圖1(c)VLT Survey Telescope(VST)口徑為2.6 m,視場(chǎng)為1°,其科學(xué)終端為位于卡塞格林焦點(diǎn)處的“OmegaCAM”[6]。圖1(d)SDSS(Sloan Digital Sky Survey)望遠(yuǎn)鏡口徑為2.5 m,視場(chǎng)為3°[7]。圖1(e) 8.2 m望遠(yuǎn)鏡Subaru Hyper Suprime-Cam視場(chǎng)為1.34°,采用主焦點(diǎn)式光學(xué)系統(tǒng),其能量損失最小,對(duì)于大視場(chǎng)系統(tǒng)有著特殊的優(yōu)勢(shì),目前Subaru在主焦點(diǎn)巡天方面,產(chǎn)生了大量的科學(xué)產(chǎn)出[8]。圖1(f) large synoptic survey telescope(LSST)為8.4 m口徑,視場(chǎng)3.5°的下一代大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡[9]。

圖1 國(guó)外大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡[4-9]

校正鏡組是望遠(yuǎn)鏡成像前光束處理的重要組件,消除系統(tǒng)殘余的彗差、像散、色差和畸變[10],提高成像質(zhì)量[11]。雖然不同的大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡采用的光學(xué)形式不同,但是望遠(yuǎn)鏡的校正鏡組透鏡口徑較傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡均有明顯的增加。因此為了保證在重力和溫度變化下透鏡的面形精度和成像質(zhì)量,大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡對(duì)校正鏡組透鏡支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其安裝方式的選擇,對(duì)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)具有十分重要的意義。

本文系統(tǒng)總結(jié)了大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡校正鏡組透鏡的支撐結(jié)構(gòu)及安裝方式,并對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行歸納,期望能夠?yàn)榇罂趶酱笠晥?chǎng)望遠(yuǎn)鏡校正鏡組的支撐設(shè)計(jì)提供幫助的相關(guān)技術(shù)。

2 校正鏡組支撐的光學(xué)設(shè)計(jì)要求

校正鏡組支撐結(jié)構(gòu)一般需要滿足以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)目標(biāo):

(1)透鏡及支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力低[12]

通過計(jì)算分析,Multiple Mirror Telescope(MMT)要求其校正鏡組的光學(xué)元件最大許用應(yīng)力為3.4×106N/m2,支撐結(jié)構(gòu)最大許用應(yīng)力為124×106N/m2。

(2)透鏡相對(duì)位移小[12]

相對(duì)位移包括透鏡的對(duì)中誤差,傾斜誤差和透鏡間誤差等。例如Blanco望遠(yuǎn)鏡中DeCam校正鏡組最大口徑透鏡的對(duì)中誤差最大不超過±25 μm,傾斜誤差不超過±27 μm2。

(3)透鏡面形精度高[12]

由于校正鏡組為透射式光學(xué)系統(tǒng),因此透鏡的面形精度包括每個(gè)透鏡前后兩面的面形誤差RMS值。如Large Binocular Telescope(LBT)校正鏡組的設(shè)計(jì)要求為,透鏡面形誤差RMS小于50 nm[14]。

(4)成像質(zhì)量要求高

一般來說透鏡的支撐好壞主要由成像質(zhì)量決定。對(duì)于透鏡成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要分為PSF點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),80 %能量集中度和FWHM半高全寬等。例如Blanco望遠(yuǎn)鏡要求圖像質(zhì)量RMS半徑小于9 μm[13],Korea Micro-lensing Telescope Network(KMTNet)校正鏡組成像質(zhì)量要求FWHM小于1″[15]。

針對(duì)這些特點(diǎn),可以看出大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的校正鏡組的加工、支撐以及裝配環(huán)節(jié)均需要十分細(xì)致的分析與工藝摸索。

3 透鏡支撐結(jié)構(gòu)形式

透鏡支撐結(jié)構(gòu)被動(dòng)支撐,支撐位置位于透鏡側(cè)面,多采用徑向支撐和軸向邊緣支撐相結(jié)合的方式。主要分為壓圈隔圈,RTV彈性體支撐和柔性結(jié)構(gòu)支撐三條技術(shù)路線。其中壓圈隔圈支撐為傳統(tǒng)小口徑透鏡支撐方法,選用SDSS望遠(yuǎn)鏡相機(jī),Gemini望遠(yuǎn)鏡光譜儀和European Extremely Large Telescope(E-ELT)光譜儀中透鏡結(jié)構(gòu)作為簡(jiǎn)述,本文重點(diǎn)列舉RTV彈性體支撐和柔性結(jié)構(gòu)支撐方式。

3.1 壓圈隔圈支撐

由于大口徑望遠(yuǎn)鏡選用不同的光學(xué)形式,部分望遠(yuǎn)鏡科學(xué)終端內(nèi)的校正鏡組口徑較小,可采用傳統(tǒng)的壓圈隔圈的方式固定支撐透鏡,與其他光學(xué)儀器所采用的方法相同。

1998年,SDSS望遠(yuǎn)鏡相機(jī)所選用的透鏡支撐方式為:透鏡壓入固定有6塊彈性支撐塊的鏡室中,軸向支撐一端采用Kapton隔圈,另一端采用O型圈的方式,如圖2所示。鏡室材料為鋁,彈性支撐塊材料為玻璃纖維填充聚四氟乙烯。

2006年,在SDSS設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,Stephen A.Smee等對(duì)Gemini的寬視場(chǎng)光線多目標(biāo)光譜儀(WFMOS)進(jìn)行了透鏡支撐分析設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)與SDSS基本相同,尺寸為SDSS相機(jī)透鏡125 %。鏡室材料為銦鋼38[16]。

在歐洲南方天文臺(tái)(ESO)建造的E-ELT望遠(yuǎn)鏡高角分辨率單片光學(xué)和近紅外積分視場(chǎng)光譜儀(HARMONI)的透鏡支撐設(shè)計(jì)中,同樣采用徑向定位柔性結(jié)構(gòu)和隔圈相結(jié)合的方式。該支撐方法已成功應(yīng)用在Gran Telescopio Canarias(GTC)近紅外多目標(biāo)成像光譜儀(EMIR)的準(zhǔn)直透鏡支撐中,如圖3所示。

圖3 ELT平行光管透鏡支撐結(jié)構(gòu)[17]

該設(shè)備內(nèi)透鏡最大口徑為500 mm,徑向支撐結(jié)構(gòu)采用2個(gè)定位和1個(gè)柔性彈簧支撐塊,支撐塊沿圓周呈120°分布。透鏡材料為無水熔融硅,定位支撐塊為鋁制,粘接有一定厚度的PTFE聚四氟乙烯。柔性彈簧支撐塊為鋼制,支撐塊上粘接有一定厚度的Teflon彈性材料。軸向支撐為材料為用于施加一定預(yù)緊力的Teflon壓圈和鋁制CUBE彈簧壓圈[17]。

3.2 RTV彈性體支撐

由于可靠性高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度低等優(yōu)點(diǎn),大口徑望遠(yuǎn)鏡校正鏡組中大口徑透鏡支撐多采用RTV彈性體支撐的方式。該支撐方式可分為離散RTV塊支撐,RTV環(huán)支撐及RTV柔性結(jié)構(gòu)相結(jié)合的三種支撐方式。

1998年,Robert Fat等提出了寬視場(chǎng)校正器的透鏡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),如圖4所示。MMT望遠(yuǎn)鏡校正鏡組中的透鏡最大直徑為800 mm。透鏡組由離散RTV墊片統(tǒng)一固定在鏡筒中,支撐結(jié)構(gòu)由24個(gè)粘接有方形RTV墊片的徑向支撐塊和24個(gè)軸向RTV墊片支撐相結(jié)合。徑向支撐為主支撐,其支撐塊由4個(gè)螺釘固定到鏡室上的預(yù)留孔中。為了防止引入額外熱應(yīng)力進(jìn)而影響透鏡成像質(zhì)量,軸向RTV墊片僅單面粘接到鏡室上。透鏡材料為熔石英,鏡筒材料為銦鋼39,彈性墊片材料為RTV560,粘接RTV底漆為SS4155[18]。

圖4 MMT透鏡支撐結(jié)構(gòu)[18]

基于MMT透鏡支撐的原理,2008年A.P.Doel等人提出Blanco望遠(yuǎn)鏡DeCam的透鏡支撐設(shè)計(jì)方案,如圖5所示。該結(jié)構(gòu)透鏡最大直徑為980 mm,工作溫度為-5～27 ℃,重力角度變化為0～45°。與MMT校正鏡組透鏡支撐方式不同的是,DECam單片透鏡安裝在獨(dú)立鏡室中,各鏡室與鏡筒由柔性結(jié)構(gòu)連接。透鏡徑向支撐為24個(gè)粘有方形RTV墊片的支撐塊,軸向?yàn)?4個(gè)RTV墊片支撐,粘接方式與MMT相同。擋板安裝在主鏡室頂部,防止在不同重力角度下RTV墊片粘接失效后透鏡脫落。螺栓將鏡室、鏡筒與柔性結(jié)構(gòu)鏡筒間的定位鋼環(huán)和隔圈固定連接,以隔離機(jī)械振動(dòng),靈活調(diào)節(jié)透鏡間距,完成無熱化設(shè)計(jì)。透鏡材料為熔石英7980,鏡筒材料為鋼,鏡室材料為銦鋼38,彈性墊片為厚度2 mm的RTV560[13]。

圖5 DeCam透鏡支撐結(jié)構(gòu)[13]

2011年P(guān)eter Doel和Robert Besuner等提出Mayall望遠(yuǎn)鏡校正鏡組的透鏡支撐結(jié)構(gòu),如圖6所示。該透鏡最大尺寸為1143 mm。工作溫度為-10～30 ℃,工作情況下重力變化角度為0°～60°。透鏡支撐結(jié)構(gòu)與DECam近似,主要區(qū)別為鏡室軸向支撐斜面加工為單獨(dú)金屬塊,插入到鏡室的預(yù)留孔中,便于鏡室加工及透鏡安裝。透鏡材料為熔石英,鏡室材料為銦鋼38,鏡筒材料為A36鋼[4]。

圖6 Mayall透鏡支撐結(jié)構(gòu)[4]

在William Herschel Telescope(WHT)的主焦點(diǎn)校正器的設(shè)計(jì)分析中,Don Carlos Abrams等設(shè)計(jì)如圖7所示的透鏡支撐結(jié)構(gòu)。該透鏡最大口徑為1100 mm。透鏡支撐方式采用24個(gè)直接粘接到鏡室的圓形徑向RTV墊片和24個(gè)軸向方形RTV墊片,粘接方式與MMT相同。該透鏡材料為熔石英7980,鏡室材料為銦鋼,彈性墊片材料為RTV[19]。

圖7 WHT透鏡支撐結(jié)構(gòu)[19]

LBT望遠(yuǎn)鏡的雙主焦點(diǎn)相機(jī)的透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)于2004年,由Roberto Ragazzoni等人提出,如圖8所示。透鏡最大直徑為810 mm,該結(jié)構(gòu)徑向支撐為6個(gè)彈性墊片,軸向支撐為3個(gè)硬點(diǎn)支撐和三個(gè)無定向杠桿,在鏡室和鏡筒間裝有鋼制墊圈,以此來匹配材料間的不同熱膨脹系數(shù)。與上文望遠(yuǎn)鏡所采用的全RTV墊片支撐相比,該結(jié)構(gòu)參考了主鏡支撐方法,采用硬點(diǎn)固定透鏡位置,無定向杠桿支撐結(jié)構(gòu)以降低鏡室變形的敏感性。透鏡材料為BK7,鏡筒材料為鋼,鏡室材料為Invar,彈性墊片材料為DELRIN[14]。

圖8 LBT透鏡支撐結(jié)構(gòu)[14]

同年,Charles Delp等提出透鏡RTV環(huán)的支撐方式,并成功應(yīng)用于William Herschel Telescope(DCT)校正鏡組中。在透鏡與鏡室對(duì)準(zhǔn)的條件下,向鏡室和透鏡間緩慢注入RTV溶液,降低透鏡及鏡室材料間由熱膨脹系數(shù)不匹配而引起的熱應(yīng)力。透鏡口徑為1100 mm,透鏡材料為熔石英[20]。

Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System(Pan-STARRS)的 PS2校正鏡組透鏡支撐結(jié)構(gòu)對(duì)直接注入RTV環(huán)的支撐方式進(jìn)行了改進(jìn),如圖9所示。透鏡最大口徑為600 mm。其主鏡室頂部裝有擋板以抑制校正鏡組中的散射光。透鏡側(cè)面涂深色底漆,降低白色RTV環(huán)反光程度。透鏡材料為熔石英,RTV環(huán)為厚度為3 mm的3122 RTV,鏡室材料為鋼[21]。

圖9 Pan-STARRS PS2透鏡支撐結(jié)構(gòu)[21]

3.3 邊緣柔性支撐

2017年,A.Barto,S.Winters等借鑒了Kepler望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì),對(duì)LSST相機(jī)的透鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐分析設(shè)計(jì),支撐結(jié)構(gòu)如圖10所示。該透鏡最大口徑為1550 mm。最大口徑的透鏡由24個(gè)Invar墊片進(jìn)行徑向支撐,Invar墊由上下墊有球形墊圈的螺釘連接在鈦合金柔性結(jié)構(gòu)上。L1L2兩個(gè)獨(dú)立的透鏡單元由三角形截面的環(huán)形管狀桁架結(jié)構(gòu)支撐連接,該環(huán)形結(jié)構(gòu)為透鏡提供徑向支撐,優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu),在減輕相機(jī)重量的同時(shí)保持足夠的剛度和穩(wěn)定性。支撐結(jié)構(gòu)材料為Invar360,鏡室材料為K63712/BT250E-1偽各向同性碳纖維復(fù)合板,擋光環(huán)和管狀桁架材料為鋁,柔性結(jié)構(gòu)材料為鈦合金[9]。

圖10 LSST透鏡支撐結(jié)構(gòu)[9,22]

SDSS望遠(yuǎn)鏡校正鏡組的透鏡支撐結(jié)構(gòu)則采用30個(gè)切向接觸的柔性支架,均勻安裝與透鏡外側(cè),切向桿厚度為3 mm,柔性支架固定在鏡筒上,如圖11所示。透鏡尺寸為727 mm,透鏡材料為熔石英7940,鏡室材料為鋼[23]。

圖11 SDSS校正鏡組透鏡支撐結(jié)構(gòu)[23]

與SDSS透鏡支撐結(jié)構(gòu)類似,WIYN望遠(yuǎn)鏡的One Degree Imager校正鏡組選用如圖12所示的透鏡支撐結(jié)構(gòu)。透鏡最大口徑為591 mm。該支撐結(jié)構(gòu)主要由軸向支撐所承擔(dān),徑向支撐結(jié)構(gòu)為18個(gè)L型切向支撐墊片,鏡室與徑向支撐墊片由銷釘連接,徑向支撐墊片與透鏡間無預(yù)緊力,防止產(chǎn)生額外力矩影響成像質(zhì)量。軸向支撐結(jié)構(gòu)為軸向預(yù)緊環(huán),與鏡室由固定螺釘連接。支撐墊片與鏡室間由支撐透鏡材料為Schott Lithosil Grade Q2 Homogeneity H2,支撐結(jié)構(gòu)材料為鋁合金,鏡室材料為銦鋼36[24]。

圖12 WIYN透鏡支撐結(jié)構(gòu)[24]

加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的J.M.M.Horn等對(duì)Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy(SOFIA)機(jī)載望遠(yuǎn)鏡中紅外開光測(cè)試實(shí)驗(yàn)相機(jī)(FLITECAM)準(zhǔn)直器的透鏡進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),如圖13所示。透鏡口徑為165 mm,材料為L(zhǎng)iF,由于該材料易碎且易受熱載荷和機(jī)械載荷的影響,因此該透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為6個(gè)彎曲柔性桿,隔離因重力和溫度變化而產(chǎn)生的載荷。支撐結(jié)構(gòu)材料為鋁[25]。

圖13 SOFIA FLITECAM透鏡支撐結(jié)構(gòu)[25]

2006年,Robert Fata等對(duì)MMT的Binospec光譜儀中透鏡支撐方式同樣選用切向桿的原理,如圖14所示。該結(jié)構(gòu)透鏡的最大口徑為356 mm。透鏡支撐方式為12個(gè)裝有圓形凸臺(tái)的切向柔性支撐臂。透鏡與鏡室進(jìn)行對(duì)中后,從鏡室外的注膠孔中注入粘接劑。鏡框/柔性結(jié)構(gòu)材料為鋁合金7050-T7451,圓形凸臺(tái)材料為304L 不銹鋼,由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)有LL5610耦合劑(primer),該耦合劑與RTV材料產(chǎn)生反應(yīng),因此粘接劑材料選用Hysol 9313環(huán)氧樹脂混合Siltex 44[12]。

圖14 MMT Binospec透鏡支撐結(jié)構(gòu)[12]

由這種柔性切向桿支撐方式而衍生的設(shè)計(jì)還有很多,如2006年T.R.Froud,等人對(duì)Subaru 的近紅外相機(jī)的透鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),如圖15所示。該透鏡最大口徑為255 mm,工作溫度為-173～-937 ℃。軸向支撐為固定在鏡室上的8個(gè)圓錐形INVAR彎曲柔性臂。柔性臂與透鏡間采用銦鋼柔性墊進(jìn)行粘接。為使粘接劑形成薄膜,鏡頭周圍采用硅酮膠貼一圈綿紙(cotton paper)[8]。

圖15 Subaru近紅外相機(jī)透鏡支撐結(jié)構(gòu)[8]

歐洲航天局EUCLID中的近紅外光譜儀成像光度計(jì)(NISP)同樣在切向桿支撐的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分改進(jìn),如圖16所示。透鏡口徑170 mm,透鏡材料為CaF2。若采用預(yù)緊力方式固定透鏡鏡室,預(yù)緊力載荷與振動(dòng)載荷將使透鏡產(chǎn)生變形,因此選用粘接方式進(jìn)行固定連接,支撐結(jié)構(gòu)如圖16所示,該結(jié)構(gòu)可為透鏡在不同工況下提供精確支撐力[26]。

圖16 EUCLID NISP透鏡支撐結(jié)構(gòu)[26]

2013年GMT提出單邊切向桿的柔性支撐方式,如圖17所示。透鏡最大口徑為1540 mm,材料為N-BK7。支撐采用24點(diǎn)徑向切向桿支撐結(jié)構(gòu),支撐桿一端由螺釘固定在鏡室上,另一端粘接在透鏡側(cè)面。切向桿為單邊支撐,采用9319環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘接,粘接面圓形。直徑35.6 mm。切向桿及粘接塊材料為鈦合金,鏡室材料為鋁合金[27]。不同支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)見表1所示。

表1 不同支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

圖17 GMT透鏡支撐結(jié)構(gòu)[27]

4 透鏡對(duì)準(zhǔn)/安裝方式

校正鏡組的對(duì)準(zhǔn)及安裝,其基本思想均為首先對(duì)準(zhǔn)透鏡與鏡室,將透鏡與鏡室安裝固定為一個(gè)整體后,再進(jìn)行透鏡組與鏡筒間的對(duì)準(zhǔn)與安裝,本文主要以Blanco望遠(yuǎn)鏡DeCam校正鏡組為例。

如圖18所示,DECam裝調(diào)對(duì)準(zhǔn)裝置由18點(diǎn)Whiffletree支撐結(jié)構(gòu),Whiffletree傾斜調(diào)整裝置,鏡室支撐環(huán),XY平移臺(tái)和精密千斤頂組成。

圖18 透鏡及鏡室安裝結(jié)構(gòu)[28]

首先將透鏡及鏡室分別放置于Whiffletree支撐結(jié)構(gòu)和支撐環(huán)上,調(diào)整Whiffletree傾斜調(diào)整裝置和精密千斤頂,分別使用千分表測(cè)量透鏡及鏡室徑向表面,調(diào)整透鏡和鏡室至光軸垂直,如圖19所示。

圖19 透鏡鏡室基準(zhǔn)測(cè)量[15]

將軸向RTV墊片粘接到鏡室相應(yīng)位置中,使用Micro-Epsilon光學(xué)位移傳感器測(cè)量軸向RTV墊片是否為同一高度,容許誤差為±25 μm。Whiffletree支撐結(jié)構(gòu)材料為PTFE,支撐點(diǎn)的端面與透鏡具有相同的曲率半徑,端面上粘接有1 mm厚的Viton橡膠墊,使透鏡與鏡室裝配實(shí)現(xiàn)面接觸,防止出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。使用精密千斤頂和鏡室支撐環(huán)上的精密螺絲如圖20所示,移動(dòng)鏡室至軸向RTV墊片與透鏡剛好接觸。在透鏡和徑向RTV支撐塊間插入與膠層同厚度的紙張,以固定膠層厚度。取出紙張后在透鏡上涂底漆和RTV膠,將徑向RTV支撐塊擰緊固定[29]。

圖20 支撐環(huán)支撐結(jié)構(gòu)和精密螺絲調(diào)整機(jī)構(gòu)[29]

在校正透鏡與鏡室裝調(diào)滿足公差要求之后,各校正鏡以組件形式進(jìn)行裝調(diào)檢測(cè),原理如圖21所示。校正鏡組對(duì)準(zhǔn)方式主要利用兩臺(tái)相機(jī)同時(shí)測(cè)量激光光源發(fā)出的光,當(dāng)透鏡存在傾斜和偏心時(shí),兩臺(tái)相機(jī)能夠?qū)Χ繙y(cè)量?jī)A斜和偏心的值,根據(jù)相機(jī)的反饋值對(duì)校正鏡組的相對(duì)位置和傾斜量進(jìn)行調(diào)整,直到滿足透鏡裝調(diào)的公差要求。

圖21 校正鏡組激光對(duì)準(zhǔn)原理圖[30]

在激光對(duì)準(zhǔn)測(cè)量的過程中,依次將透鏡組件安裝入鏡筒,通過檢測(cè)相機(jī)成像的偏心值,結(jié)算校正透鏡的傾斜和偏心[30]。利用校正透鏡鏡室上預(yù)留的裝調(diào)接口調(diào)整透鏡組件的相對(duì)位置,達(dá)到校正鏡組裝調(diào)的誤差要求微米級(jí),如圖22為透鏡組對(duì)齊后激光對(duì)準(zhǔn)反射光束圖像。

圖22 C1-C4透鏡組反射光束圖像[30]

5 結(jié) 語

目前的大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡,透鏡口徑在200 mm以下的支撐結(jié)構(gòu)多選用隔圈壓圈或柔性切向桿方式,大口徑透鏡(200～1600 mm)多采用RTV彈性體和柔性結(jié)構(gòu)支撐相結(jié)合的方式,透鏡及透鏡組的安裝對(duì)準(zhǔn)方式多選用千分表和激光對(duì)準(zhǔn)方式,對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到微米級(jí)。從目前形勢(shì)來看,國(guó)內(nèi)望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)儀器的透鏡口徑較小且工況單一,已有的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案無法滿足要求,與國(guó)際先進(jìn)水平存在一定差距,因此對(duì)校正鏡組透鏡支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究重要性日益突出。

從目前掌握的資料來看,大口徑透鏡支撐未來發(fā)展趨勢(shì)主要分為以下兩個(gè)方面:

(1)校正鏡組支撐后需要一套完整統(tǒng)一的成像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。目前國(guó)內(nèi)多采用面形誤差RMS值評(píng)價(jià)透鏡支撐結(jié)果的好壞程度,國(guó)外評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要采用光路追跡或觀察點(diǎn)物實(shí)際成像的方式來評(píng)價(jià)成像質(zhì)量,如80 %能量集中度、全寬半高(FWHM)等。

(2)柔性結(jié)構(gòu)支撐技術(shù)將逐漸成為校正鏡組支撐方式的主流。隨著望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)的增大和技術(shù)要求的提高,RTV材料的非線性以及熱匹配性能均遇到極大的挑戰(zhàn)。