子孔径拼接成像系统结构设计及装调方法的研究

摘要

自上世纪80年代起，太空科技的发展可谓日新月异。在人类对外太空的探索取得极大进步的同时，也对空间科学技术，特别是空间光学技术提出了新的要求。
　　为了适应现代天文观测和战争的要求，相比于传统的单个主镜的光学系统，下一代太空望远镜须口径更大、重量更轻、成像质量更高且可折叠。
　　传统光学成像系统角分辨率受工作波长和光学系统入瞳孔径的限制。在工作波长确定的前提下，如果需提高系统的角分辨率，则只能增加系统入瞳孔径。而大型和超大型光学系统的研制，又受到诸如光学材料、加工、制造成本和运载能力等条件的制约，现有的技术还无法达到。利用子孔径拼接技术可以使大型和超大型光学系统分散加工、组合装调。这样，光学系统的加工就不受系统口径条件的限制，从而增大系统口径，达到提高系统分辨率的目的。
　　本文研究了子孔径拼接成像光学系统原理样机的设计、加工、装调以及检测中的关键技术，主要做了以下研究工作：
　　阐述了子孔径拼接光学系统的成像特点，并对系统目视分辨率和CCD成像分辨率进行了理论上的计算。
　　应用动态光学理论中等效节点的概念，对子孔径拼接成像系统的装调公差进行了分析。分析表明，边缘子镜允许的最大垂轴位移误差为0.003mm，轴向位移误差0.02mm，倾斜公差1.15μrad。从分析结果可以看出，边缘子镜的允许误差很小，给装调带来很大的难度。这也是子孔径拼接系统的难点所在。
　　设计了子孔径拼接成像系统的机械结构。从中心主镜的固定结构、边缘子镜的固定调整结构、次镜的固定调整结构、补偿镜结构，并对拼接主镜进行了有限元分析。
　　对系统的杂散光进行了分析，并在此基础上，设计了系统消杂光光阑。进而完成了子孔径拼接成像系统的整体结构设计。
　　在对光学系统特点分析的基础上，提出了子孔径拼接成像光学系统以中心主镜为基准，装调与检测边缘子镜同心度的方案：采用自准直光学元件的自准直光路，对边缘子镜与中心主镜的同心度进行装调，解决了大口径拼接成像光学系统装调的难题。
　　在系统分析的基础上，完成了子孔径拼接成像光学系统样机的零件制造、整机装调等工作。对装调完成的子孔径拼接成像光学系统样机进行了整机检测。检测结果表明，该样机的总体指标满足系统要求。但在目视分辨率方面，检测结果与理论分析结果存在较大差距。
　　根据检测结果和装调过程中，在杂散光的抑制、系统残余应力二个方面遇到的问题，提出了可行的改进方案，为以后子孔径拼接成像光学系统的研制奠定了基础。