基于三级像差理论的大口径光学系统近场检测技术研究

The detection and reconstruction of wavefront distortion are the main contents of large diameter telescope. At present, the most popular way is through Shark-Hartmann wavefront sensor and natural stars which will be influenced by atmospheric turbulence and tracking error of telescope. Synthesized advantages and disadvantages of interferometer and Shark-Hartmann, we put forward a new Shack-Hartmann wave sensor technology based on close multiple targets. This new technology uses fibers array as a target instead of a natural star in order to reduce atmospheric effects. And we can get wavefront error of the telescope in a survey through the special algorithm contain relevant and symmetrical characteristic. This technology can be widely used in the building of large diameter telescope under special condition such as outer space and Antarctic.

随着天文光学技术的发展，光学望远镜的口径大幅增加，设计精度不断提高，对检测设备精度也提出了更高的要求。目前应用较为广泛的干涉仪和夏克哈特曼在大口径光学系统评价中面临较大的困难：干涉仪的子孔径拼接方法测量时间长，对平面镜与环境条件要求高，夏克哈特曼以自然星为目标能够实现光学系统全口径检测，但是大气湍流、望远镜跟踪误差等因素会对检测精度造成困扰。而且夏克哈特曼只能在视宁度较好的情况下工作，会影响到望远镜的建造周期。针对目前大口径天文光学望远镜研制所面临的装调技术手段缺乏、精度低的难题，我们提出了一种基于三级像差理论的光学系统近场检测技术。该项技术采用光纤阵列作为辅助测量目标，将望远镜入瞳分割为一系列单独照明的子孔径，利用三级像差理论对子孔径像差进行分析并建立相关数学模型，通过特定算法完成光学系统波前误差的分析计算，实现近距离环境条件下的大口径光学望远镜波前检测。

随着天文光学技术的发展，光学望远镜的口径大幅增加，成像精度不断提高，对检测设备精度也提出了更高的要求。目前应用较为广泛的干涉仪和夏克哈特曼在大口径光学系统评价中面临较大的困难：干涉仪的子孔径拼接方法测量时间长，对平面镜与环境条件要求高，夏克哈特曼以自然星为目标能够实现光学系统全口径检测，但是大气湍流、望远镜跟踪误差等因素会对检测精度造成困扰。针对目前大口径天文光学望远镜研制所面临的装调技术手段缺乏、精度低的难题，我们提出了一种基于三级像差理论的光学系统近场检测技术。该项技术采用光纤阵列作为辅助测量目标，将望远镜入瞳分割为一系列单独照明的子孔径，利用三级像差理论对子孔径像差进行分析并建立相关数学模型，通过特定算法完成光学系统波前误差的分析计算，实现近距离环境条件下的大口径光学望远镜波前检测。该项目最大的优点在于近距离条件下实现了多子孔径同时测量，降低了环境因素对测量的影响，使得大口径光学系统像质的室内外快速测试成为可能，对于空间、南极等特殊环境条件下大口径光学望远镜的研制具有重要的意义。.在国家自然科学基金的资助下，本项目开展了基于三级像差理论的大口径光学系统近场检测技术研究。研究主要内容包括：建立了近距离点光源阵列目标在望远镜子孔径中的像差模型，分析子孔径像差与点光源数值孔径、入瞳距离、望远镜视场角、F数等的关系，为子孔径像差校正提供数学基础；建立了子孔径像差校正与拼接模型，对经过像差校正的子孔径参数进行泽尼克多项式拟合，得到完整的系统波前误差表达；建立实验装置，利用前面两项工作的结果，进行了近距离波前测量。.项目通过三年时间的研究，验证了近场波前检测技术的可行性，突破了基于邻域相关的子孔径像差校正，近距离目标子孔径拼接算法，高像差测量系统误差分析与数据处理等一系列的关键技术，对于我国大型望远镜的研制具有重要的意义。