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用y表示非球面的旋转对称轴,x表示入射光学在非球面上的高度,则轴对称非球面的子午截面曲线方程可以写成以下形式[4]:
式中:c为顶点曲率(
$c = 1/\mathop R\limits^o $ );K为二次曲线常数;$ d、 $ $ e、\cdots $ 为系数。对于二次曲线,比如图1所示的椭球面,曲线方程表达式如下:如图1所示,
$oy$ 轴为椭球面几何旋转对称轴,$o'y'$ 为椭球面光轴,由于加工偏差,椭球面光轴与几何旋转对称轴并不重合,既存在角量偏心$\theta $ (以下简称角偏心)又存在线量偏心$\Delta x$ (以下简称线偏心)[5-6]。 -
全反射式光学系统光学元件失调主要引入初级像差,不会产生新的像差类型。失调共轴三反系统初级像差的Zernike标量表达式如下[7]:
式中:
${W_j}(\rho ,\phi )$ 为$j$ 视场波像差;${Z_i}(\rho ,\phi )$ 为Zernike多项式;$C_i^j$ 为多项式$j$ 视场拟合系数。表1给出了Zernike圆域多项式像散、彗差和球差表达式,表中θ为极角,$\rho $ 为半径[8-9]。Term # Polynominal expression Meaning Brief exp. 5 ${\rho ^2}\cos 2\theta $ Astigmatism 0° or 90° Z5 6 ${\rho ^2}\sin 2\theta $ Astigmatism ±45° Z6 7 $(3{\rho ^2} - 2)\rho \cos \theta $ X coma and tilt Z7 8 $(3{\rho ^2} - 2)\rho \sin \theta $ Y coma and tilt Z8 9 $6{\rho ^4} - 6{\rho ^2} + 1$ Spherical and focus Z9 Table 1. Zernike polynominal expressions of circular domain
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光学系统中光学元件的失调会引入像差,将初级像差作为校正对象,则校正对象与失调量之间为非线性关系,利用多元泰勒公式将非线性方程组转化为下列线性方程组[10-14]:
A为灵敏度矩阵:
ΔX为系统中各光学元件的失调量,包括各坐标轴的平移量、转动量。ΔF为光学系统各校正对象实测值与设计值之差,灵敏度矩阵A为校正对象与调整变量的差商。公式(4)的最小二乘解为:
若矩阵非奇异,则方程组的解为:
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以经纬仪的(0°,90°),(270°,90°)方向分别为+Y和+Z轴建立右手正交坐标系,称为测量坐标系,记为∑0。坐标系∑0的X轴正方向竖直向上,此时Y轴正方向为经纬仪的零位。假设经纬仪自准空间某方向P,对应的水平角和竖直角读数分别为H和V,如图2所示,P点的空间向量分量在测量坐标系∑0中表示为[15]:
1.1. 轴对称非球面偏心
1.2. 光学系统像差计算
1.3. 灵敏度矩阵
1.4. 经纬仪测量坐标系
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平行光经过椭球面反射镜后成像,会存在较大正球差,计算公式如下:
式中:N0为球差;
$u'$ 为理想像面处的光线反射角。由于汇聚光线经过平晶后正好产生负球差,在此系统中选用平晶来补偿椭球面的正球差。平晶球差计算公式为:
测试主镜为1070 mm口径椭球面反射镜,反射镜采用ULE蜂窝结构,如图3所示。采用国产K9平晶玻璃对主镜球差进行补偿,测试光路如图4所示,参数如表2所示。
Optical element Vertex radius of curvature/mm K Mirror spacing or thickness/mm Effective light aperture/mm Materials Primary mirror −3042.54 −0.9727 −1430.00 1070.00 ULE Optical flat ∞ − −28.00 66.45 K9 ∞ − −78.78 53.38 Table 2. Design results of the optical system
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光学系统只有椭球面主镜和平晶玻璃两个光学件,表3分析了系统像差,可以看出利用厚度为28 mm的K9平晶玻璃,可以将主镜球差完全补偿,系统理论像差为零。
Zernike coefficient (λ) RMS(λ) Interferogram Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Before spherical aberration compensation 0 0 0 0 5.3 2.4 After the spherical aberration is compensated 0 0 0 0 0 0 Table 3. Aberration of the system(λ=632.8 nm)
在进行系统调整时通常使用平面镜建立自准直光路,以平面镜为基准调整主镜和平晶的空间位置。用D和T表示光学件的平移失调和空间角失调,主镜六个空间调整变量分别为
$ {D}_{x1}、{D}_{y1}、{D}_{{\textit{z}}1}、{T}_{\alpha 1}、{T}_{\beta 1} $ $ 和{T}_{\gamma 1}$ ,平晶六个空间调整变量分别为$ {D}_{x2}、{D}_{y2}、 {D}_{{\textit{z}}2}、 $ $ {T}_{\alpha 2}、{T}_{\beta 2}和{T}_{\gamma 2}$ 。图5和图6分别给出了主镜和平晶的失调量与像散、彗差和球差的关系,可以看出,平移、镜间距以及绕光轴的旋转不影响系统像差,俯仰和旋转失调只会引入彗差,并且失调量与彗差成线性关系。通过计算图5和图6各曲线的斜率,即可得到次镜和三镜的灵敏度矩阵。由于系统是旋转对称的,所以等量的俯仰失调和旋转失调引入的彗差大小相同,表4给出了主镜和平晶的俯仰(
${T_\alpha }$ )灵敏度矩阵。可以看出,主镜俯仰或旋转失调会引入较大的彗差,主镜和平晶失调灵敏度为149:2。Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 ${T_{\alpha 1}}$ 0 0 0 149 0 ${T_{\alpha 2}}$ 0 0 0 2 0 Table 4. Sensitivity matrix
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(1)测试系统搭建与调整
如图7所示,利用Φ1600 mm平面镜建立自准直测量光路。利用经纬仪通过主镜中心孔同时看到平面镜和平晶的自准直像,调整平晶俯仰和倾斜使平面镜和平晶的自准直像重合,即主镜法线与平晶法线平行。调整主镜俯仰和倾斜,直至4D干涉仪测得的系统彗差项
${Z_7}$ 和${Z_8}$ 小于0.05λ。表5给出了测试结果,系统像散和彗差均小于0.05λ。干涉仪及其支撑机构在光路里有比较大的遮拦,对系统像差的测试有一定影响,如果要测试主镜的真实RMS值,需要用补偿检验法。
Zernike coefficient(λ) RMS(λ) Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 0.048 −0.02 0.00 −0.02 0.03 0.04 Fringe pattern Interference pattern Table 5. System aberration (λ=632.8 nm)
(2)主镜角偏心测试
在完成系统调整后,平面镜法线方向即为主镜光轴方向。利用经纬仪自准主镜背后抛光面,同时通过主镜中心孔自准平面镜,平面镜法线方向与主镜背面法线方向的偏差即为主镜光轴的角偏心,测试结果如表6所示。
Normal of a
plane mirrorNormal of primary
mirror backSpace angle/(°) (0, 90.00321) (0.00125, 90.01324) Table 6. Test result of the angle
根据公式(7),平面镜法线和主镜背面法线在经纬仪坐标系
${\Sigma _0}$ 下的单位矢量分别为:$ \stackrel{\rightharpoonup }{{S}_{{\text{平}}}}$ 和$ \stackrel{\rightharpoonup }{{S}_{{\text{主}}}}$ 点乘即为平面镜法线方向与主镜背面法线方向的夹角余弦,从而计算得到平面镜法线方向与主镜背面法线方向的夹角为:(3)主镜线偏心测试
如图8所示,将激光跟踪仪靶球1放置在系统汇聚点附近,调整靶球位置,使干涉仪出射光线经过靶球后自准直,此时靶球中心即为经过平晶补偿后的主镜焦点位置(以下简称主镜焦点位置),用激光跟踪仪器测量靶球位置并记录。将靶球2放在主镜侧面不同位置,用激光跟踪仪测量靶球所在位置,从而得到主镜机械轴,主镜焦点到机械轴的距离即为主镜线偏心。经过测量,主镜线偏心为0.53 mm。