长焦拼接子镜垂直检验中空间温度梯度对检验精度的影响研究

In recent years large aperture telescopes planned or under construction achieve 30m in size, and the figure of stitching segments owes several hundred blocks. So the stability and repeatability of stitching sub-mirrors during optical polishing and testing is the guarantee of quality and accuracy of the whole telescope optical system. The temperate distribution of 3D detective space will create air layering, turbulence in various scales, ultimately affect the final optical test results, and thus influence subsequent correction of surface shape and surface accuracy of mirrors.. Thermo-optical analysis at home and abroad mainly focus on studying the alteration of the component shape, interval length, refractive index caused by temperature and corresponding variation of image quality. Whereas image quality distortion is rarely touched on within optical detecting which caused by special conditions of long optical path, huge detective space needed by development of stitching sub-mirrors of large telescopes. In this project, we will take the largest vertical test tower in china as researching object, transfer the detected aerial temperature field into corresponding refractive index field, and then take image quality analysis using optical tracing method. These key technologies are concentrating on singular part in other fields or optical measurement other than astronomical optics, while it is a relatively novel and meaningful attempt banding several analytical tools together and then studying the disturbing regulation of air temperature gradient against optical detection. And this research fruit can support the study of stitching sub-mirrors of chinese CFGT in future.

近年来计划或在建的大望远镜口径达到了30m级，拼接镜面数量达数百块。拼接子镜在光学抛光阶段检测过程中的稳定性、重复性是整个望远镜光学系统像质及精度的保证。三维检测空间的温度梯度分布将产生不同尺度的空气分层、湍动，并对最终的光学检验结果产生干扰，从而影响后续的面形修正工作和镜面面形精度。.国内外热光分析主要集中于温度导致的光学元件形状、间距、折射率的改变及相应的像质变化规律。而研制大口径望远镜拼接子镜所需的超长光路、超大检测空间等特殊条件所引起的光学检验中的像质畸变却鲜有涉及。本课题将以国内最大的垂直检验塔为研究对象，将检测得到的空气温度场表征为折射率场，进而用光学追迹方法进行像质分析。这些关键技术在其它领域或光学测量方面仅侧重于某项研究，而把这几种分析手段联合起来，针对空气温度梯度分布对光学检测干扰特性进行研究是较新颖和有意义的尝试。且研究成果可对我国将来的CFGT拼接子镜的研制提供支持。

近年来计划或在建的大望远镜口径达到了30m级，拼接镜面数量达数百块。三维检测空间的温度梯度分布将产生不同尺度的空气分层、湍动，并对最终的长焦拼接子镜的光学检验结果产生干扰，从而影响后续的面形修正工作和镜面面形精度。. 本课题开展了如下相关计算和实验研究，并取得了若干研究成果，简要总结如下：.(1)选取了精确的空气折射率的公式。并展开了温度、压强、湿度对空气折射率影响分析计算，进行了常用温度巡测仪和手持式测试仪灵敏度测试研究。.(2) 得到了球面反射镜在垂直温度梯度中检测时所产生的畸变情况。模拟水平检测情况，球面镜半径R=1.5至60m时温度梯度引起的像差情况，发现随着R的增大，引起的像散和离焦量值都增大。垂直检测情况，在保持镜面口径D=1.5m不变的情况下，分别计算了R = 1.5至20m时的波面变形情况，发现离焦和球差都随R的增大而减小。.(3) 利用龙格-库塔法对球面镜的水平检测光路进行了光学追迹，结果显示球面镜水平检测光路在温度垂直变化下成像点在横向有明显的偏移。若温度梯度的二次以上项可导致检测面形中有明显的像散分量。.(4) 对φ1.5m离轴量L=12m的离轴抛物面、双曲面和φ4m的对称抛物面三种面形进行了水平和垂直的光学仿真。并得到了水平和垂直检测情况下垂直温度梯度对光学检测影响的定量结果。.(5) 利用高精度压强计、高精度温度巡测仪(±0.05℃)和高精度风速计，实测得到了垂直塔流体边界条件，对垂直塔内空气进行了进一步的流体力学仿真计算，得到了一定边界条件下垂直塔内部空气温度的3维分布。.(6) 采用TSIC高精度数字温度传感器芯片精度，实现了单点温度的嵌入式系统的数据采集，实现了多ARM与PC机的串口通讯；PC机端实现了MATLAB可视化采集、处理和显示功能。正在进行3D温度传感阵列的搭建和实测工作。.(7)针对实验室内的封闭环境，在假设空气湍流符合Kolmogorov局域均匀和局域各项同性假设情况下对空气湍流对光学检验的影响进行了仿真和分析。进行了基于Zernike 多项式表述的随机相位屏仿真。通过对随机相位屏的系综平均分析，发现湍流对检测相位干扰的RMS值随相干长度增大而减小。去除倾斜后在强湍流区相位起伏系综平均的RMS值随湍流强度增加而增大。. 以上研究成果将对我国大口径望远镜长焦拼接子镜的检验提供尤为宝贵的相关经验。