建造大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主要問(wèn)題分析

建造大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主要問(wèn)題分析

許多十分重要的觀察任務(wù)的完成，沒有望遠(yuǎn)鏡孔徑的顯著增大是不可能的，望 遠(yuǎn)鏡的孔徑通常由主反射鏡的直徑確定。 在這種情況下，既決定造價(jià)，又決定望遠(yuǎn) 鏡建造可能性本身的一個(gè)最重要的問(wèn)題變 成主反射鏡質(zhì)量的減輕。問(wèn)題是，整個(gè)望 遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量直接與主反射鏡的質(zhì)量有關(guān)， 由于反射鏡鏡框應(yīng)保持反射面的穩(wěn)定性， 而望遠(yuǎn)鏡的其余結(jié)構(gòu)部分應(yīng)保證它在空間 精確移動(dòng)。電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測(cè)高儀| 測(cè)距儀| 金屬探測(cè)器| 試驗(yàn)機(jī)| 扭力計(jì)| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計(jì)| 平衡儀|

為r減輕反射鏡的質(zhì)量． 可以 減少它的厚度，其結(jié)果，剛性反射鏡變成 柔性反射鏡，柔性反射鏡需要對(duì)它的表面 形狀作結(jié)構(gòu)校正。然而，這條途徑使從一 個(gè)問(wèn)題變成另一個(gè)必須解決的并不是不那 么復(fù)雜的問(wèn)題，這個(gè)并不是不那么復(fù)雜的 問(wèn)題涉及到“精確的”連接，但反射鏡相 當(dāng)笨重，并且還要使它去載。例如．在文 獻(xiàn)【1】中，當(dāng)反射鏡直徑D=Sm．厚度與直徑之 比t／D=1：50時(shí)，在玻璃(硼硅酸耐熱玻璃 316)密／~r=2．48g／cm3的情況下，反射鏡的 質(zhì)量約等于19000千克。處理這個(gè)反射鏡 的問(wèn)題(運(yùn)輸，連接，去載等等)是顯而易見 的。就是在反射鏡的厚度與直徑之比更合 適【2】的情況下，類似的問(wèn)題也會(huì)出現(xiàn)。我 們順便指出，薄反射鏡這個(gè)概念本身是極 相對(duì)的。我們還指出這是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單， 但十分直觀的模型。 主反射鏡的反射面與標(biāo)準(zhǔn)形狀的偏差使 渡前變形。假定平行于光軸的光線與入射點(diǎn) 表面的法線形成角f。主反射鏡的反射面在 入射光線方向的入射點(diǎn)的位移基 導(dǎo)致波 前偏移，偏移量W=2AZcos2x 假定 是反 射鏡弧矢面上光線入射點(diǎn)的表面曲率半徑。 這時(shí)，si =一 ^． —． 光軸到表面上光線入射點(diǎn)的距離。于是， 一2 Z(1一 ，， 2)。當(dāng)T=D／2； _，r 時(shí)，我們得到 2叫l(wèi)_ d 一 】( ) 式中， — —主反射鏡的相對(duì)孔徑。甚至當(dāng) ：1：2， ／4I=1．969AZ時(shí)．完全可以取 ≈ 2dzo 已經(jīng)知道反射鏡變形的兩個(gè)主要原 因， ‘是在周圍介質(zhì)溫度改變的影響下， 在反射鏡材料中產(chǎn)生的因溫度梯度引起的 變形，二是反射鏡自重變形。為了減少溫 差的影響，對(duì)于任何結(jié)構(gòu)(整塊的， 助形 的等等)的反射鏡，在導(dǎo)熱系數(shù)值大(例如 碳化硅)的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用線膨脹系 數(shù)最小的材料(例如熔融石英，硅微晶玻 璃等等lo 在最簡(jiǎn)單的場(chǎng)合， 主反射鏡是等厚的 彎月面。

由于彎月面所形成的弧矢高的相 對(duì)值足夠小，為了評(píng)價(jià)反射鏡的自重彎 曲，我們用平面平行圓板代替彎月面。由 彈性模量為E，泊松系數(shù) 密度為 材料秈成的、半徑為 厚度為r的圓板． 其自由支承彎曲【3】： = r ](2) 這個(gè)式子可以方便地改寫成 ： G (】一戶：× 一 ) (3) �！� 1+ 式中， 反射鏡直徑；盧=r／ro=2r／D； q=t／D；G：土． 256 E 時(shí)， 磊：G 。 g‘ 1+ 這時(shí)，渡前具有以下形狀： w(p)：2( 一 )：2G P ( +1-p z) (4) q -十Ⅱ 波前的球度可以用圖像的過(guò)調(diào)焦補(bǔ) 償。這時(shí)。渡前的殘余(未被補(bǔ)償?shù)?變形等 于 nw(p)=2G蘭 0一 )戶 (5) go 由條件 ：0求出當(dāng) =土 cto 2 時(shí)，波前變形取極值。這時(shí)【△ (p)】 ： IG D2 一。假設(shè) )】 ≤ 航后， 廣州市駿凱電子科技有限公司求得 2 g0‘ q。 D√G(2M)-這時(shí) f≥D 、／ (6) 當(dāng)k o． 125D (11) 于是，當(dāng)D-0．8m時(shí)．qo≥0．1．而當(dāng)~--6m 時(shí)， g0≥ O．75 BTA的主反射鏡直徑 D=6．05m， 而厚度 ．65m。這時(shí)qo≈ 0．1l<<0．75。由此可見必須采用結(jié)構(gòu)措施來(lái) 消除反射鏡自重引起的反射面的可能變形。

這個(gè)問(wèn)題運(yùn)用反射鏡去裁系統(tǒng)加以解決。5trA望遠(yuǎn)鏡主l反射鏡的去載用兩個(gè)功能上互 不相關(guān)，但結(jié)構(gòu)上吻合的端部去載系統(tǒng)和徑 向去載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)， 這兩個(gè)去載系統(tǒng)包括砷 個(gè)獨(dú)特的杠桿式吏座，這些支座被配置成4 個(gè)圓 B．H．fla~aoa研制出來(lái)的杠桿去載機(jī)構(gòu) 的彈性鉸鏈能太大減 摩擦損耗并提高去載 靈敏度。在采用去載系統(tǒng)的情況下，BTA望 遠(yuǎn)鏡主反射鏡工作區(qū)的彈性形變的計(jì)算幅度 不超過(guò)O．0 m。 反射鏡空間位置的變化導(dǎo)致反射鏡白 重彎曲的犬小 口特性的自然變化，而這同 樣也引起像調(diào)焦的變化。如果圖像過(guò)調(diào)焦 困難或者不可能，那么在確定反射面的穩(wěn) 定條件時(shí)應(yīng)考慮由式(4)確定的被前變形。 這時(shí)，反射面的穩(wěn)定條件取以下形式： q≥2go ， (12) 式中． ：1+ ! ；而qo的大小取決 2(1+ ) 于式(6)或式(9)。容易證明，．對(duì)于“硼硅酸 高溫耐熱玻璃316”反射鏡，q≥O．51D『坩，。 當(dāng)D 0．2m時(shí)．口≥0．1。 由公式(3) (4)和(5)應(yīng)當(dāng)看出．對(duì)于同 一種材料的l反射鏡，它們有一樣韻彎曲。 對(duì)于這些反射鏡．等式： 盟： 是正確 的， 由此得： 。 i(13) 假定Dj-6．05m，ti=0．65m，而D．=2m． 這時(shí)f．≈O．071m。這樣一來(lái)，就自重彎曲 的大小和特性而言．[3TA反射鏡等效于總 厚度只有7．1cm的2米反射鏡。設(shè)D．=1m 后，我們得到‘≈O．018m。 由于并不是所有的反射鏡都有相等的 厚度．也不是所有的反射鏡都是圓形。為 _『止確估計(jì)它們的剛度，．通過(guò)等效于圓板 的反射麗的有用面積S：型和材料的體 4 積 sf方便地表示參量D和f。這時(shí) 蘭：生 ---一--- (14) 。 口 2 代入式(¨)后．得 D (15) 一 ● ● ‘ 如果． ．>7，這時(shí)認(rèn)為反射鏡是薄 ． 。。 ：⋯ 反射鏡 卣式(|5)應(yīng)當(dāng)看出，這種估計(jì)只有 當(dāng)D=lm 時(shí)才正確，同時(shí)反射鏡的直徑越 大，式05)燮得越不那么正確。條件(15)之 所以禾允許作為惜計(jì)條件，還因?yàn)檫@時(shí)不 考德解決與鞋便反射鏡的建造有關(guān)的結(jié)構(gòu) 一工藝問(wèn)題的影響。因此． 為了正確估計(jì) 反射鏡的剛度， 可以用折衷的條件 南 號(hào)√ f 代替條件(15)，這個(gè)折衷 條件可以方便地表示成： s 6 (16) 當(dāng)條 16)g成立時(shí)．可以認(rèn)為反射鏡 是薄反射鏡 這時(shí)可以認(rèn)為條件c15)是整塊 反射鏡有足夠剛窿的條件。

一 圃板狀第f。塊反魁．鏡的質(zhì)量 ． = } D tj，·而同種寺寸料的警 反射 鏡的質(zhì)量 ， ： 1 西‘ ， 善邀時(shí)圓板質(zhì)量 4 ． 之比旦：旦絲。認(rèn)為豳板在自重彎曲方 m J Djl 面是等效的，我們把式(13)代入所得比例 中，結(jié)果得到 ：盟，即當(dāng)D ：ⅣD 時(shí)。 mi D{ m j =Ⅳ 4。 m ， 由此應(yīng)當(dāng)看出，用綜合孔徑代替整片 孔徑是減輕主反射鏡質(zhì)量的一條極其有效 的途徑，綜合孔徑由一塊塊例如是蜂窩狀 結(jié)構(gòu)的輕便反射鏡拼裝起來(lái)．其中每一塊 反射鏡都可以認(rèn)為是剛性反射鏡。當(dāng)孔徑 完全充滿時(shí)，各卻份點(diǎn)像的結(jié)構(gòu)將與整塊 反射鏡時(shí)一樣，這時(shí)，廣州市駿凱電子科技有限公司每一反射組件韻外輪廓自然與圓有差別。然而 將組件反射 面的整個(gè)形狀投影到垂直于其光軸的平面 上， 更合乎工藝性。于是。當(dāng)綜合孔徑被 相干輻射充滿時(shí)，軸上點(diǎn)像的照度分布用 下式確定[7】： 絡(luò) 這時(shí) ：％； · 確定；這時(shí) ：旦 ， ， 這里a- = F f (19) +{1圭j-i c。s c0s 側(cè)yI (20) 【8】。由N 個(gè)模塊組成的系統(tǒng)，其入瞳的聚 光面等效于傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡主反射鏡表面，主 反射鏡的直徑由顯而易見的公式計(jì)算： 、V／ 1一_ 主( ⋯． ‘ (2I) 式中，D．— 牟 個(gè)摸塊的入瞳直徑； — 線性遮擋系數(shù)。 所有模塊的入瞳直徑都相等，即當(dāng) Dl= =D~=DO時(shí)，我們得到 _D�！� 口 于是．例如當(dāng)N-6， =O_3，而D J．8m 時(shí)，等效反射鏡的直徑 4 5m。當(dāng)從每 一模塊發(fā)出的渡前發(fā)牛相位御接時(shí)，望遠(yuǎn) 鏡的這一系統(tǒng)所形成的軸上物點(diǎn)像的結(jié)構(gòu) 由公式(17)計(jì)算。 實(shí)現(xiàn)構(gòu)成綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的 模塊式結(jié)構(gòu)的兩套設(shè)計(jì)方案原理上是可行 的。解決這項(xiàng)任務(wù)的第一套方案是一個(gè)物 鏡系統(tǒng)，各物鏡的光軸彼此平行，而所有 物鏡的后焦點(diǎn)都被由2N個(gè)平面反射鏡組成 的系統(tǒng)歸結(jié)到一點(diǎn)，這一點(diǎn)完全確定望遠(yuǎn) 鏡整個(gè)系統(tǒng)的后焦點(diǎn)F ，如圖l所示。在 這種情況下．第』個(gè)物鏡的焦面由望遠(yuǎn)鏡 的焦面，即由通過(guò)點(diǎn)F 、垂直于光軸的平 面形成。

角 應(yīng)滿足形成數(shù)值孔徑的自然 條件： sina ： (23) “ f 這里從每一個(gè)物鏡所成像的比例相等出 發(fā)，必須保持 一_廠N一_，這個(gè)條件。 在各個(gè)物鏡的入瞳大小相等、形狀完整的 情況下，由圖I中示出的各個(gè)量的幾何關(guān) 系，我們得到： =— ：D_ + 2sin Ⅳ 這時(shí)t si ： — 堡一 (24) 一 2sin Ⅳ當(dāng)N=2時(shí)，角口 取最小值。這時(shí)， sin。：e=導(dǎo)=s|n 。當(dāng)各個(gè)物鏡的光軸都 配置在正六邊形頂點(diǎn)之后， 有 sind t= =2 物鏡的六邊形配置有良好的孔徑填充 系數(shù)．并能使所有6個(gè)模塊在光學(xué)上做成 一樣的．以便將像組合到總焦點(diǎn)上。況且， 物鏡這樣配置，放置檢校裝置的地方仍舊 在中心【9]。第，個(gè)物鏡焦面的傾斜產(chǎn)生望 遠(yuǎn)鏡焦面上像的縱散焦，散焦量在視場(chǎng)角 小的情況下近似等于 = ‘’ E= tg’wtg~：／：z 州￡(25) 這時(shí)．以波動(dòng)量度，散焦等于 ； 4(1一cos )=2 sin2—0 -1’ Aj r tf。(2 6) 當(dāng) ≤ =2a／(D o們 第J個(gè)物鏡焦面上軸上物點(diǎn)像的第一 級(jí)衍射斑的最小半徑，： ，一。假定r D口 等于光電接收裝置的卟HHKCed]，而fHKCea 的尺寸等于1 m，當(dāng)I=0．5 m 時(shí)，我們 得 ，，≈1／15。在安裝于Maunt-Hopkins 最高峰的多反射鏡望遠(yuǎn)鏡中，物鏡的光焦 度 ∥ l／31．6110 假設(shè)D l，3O，于是當(dāng) ^=O．5 m 時(shí)，允許的縱散焦量 ． 2×0．55 × 1 0 30) ．99gm。 在這種情況下， 當(dāng)O"jZ=2a 時(shí)， 像 空間的線視場(chǎng)為 2 ：2 2o =60A：=59．4mnl " J 像傾斜導(dǎo)致像在望遠(yuǎn)鏡焦面上橫移。 當(dāng)物空間的角視場(chǎng)值小， 出瞳距離長(zhǎng)時(shí)。 橫移量可以用下式計(jì)算： ’ fJ’]~OSGtj￡一 ，，。crJ (27) 如果 ，。z=2仃 ’，那么81 21． 當(dāng)2 ， Do／f=1／30． 59．4／2(mm) 時(shí)．我們得到 。0．0165mm。 第j個(gè)物鏡的焦面傾斜不僅造成像的 縱散焦和橫侈．而且破壞了波前的相位御 接，在這種情況下． 由第f個(gè)物鏡形成的 渡前的相位移等于縱散焦4． 。由此可見， 當(dāng)4 時(shí)，波前的相位御接可能發(fā)生， 即縱散焦4I的大小直接影響望遠(yuǎn)鏡焦面上 光擾動(dòng)的相加特性，其實(shí)決定著它的有效 視場(chǎng)。要燎的是指出這樣一個(gè)明顯的事實(shí)， 在望遠(yuǎn)鏡焦面上通過(guò)點(diǎn)F 垂直于觀察面(圖 面)的直線上，也就是在與第，個(gè)物鏡焦面的 傾斜軸相重合的直線上，既沒有像的散焦， 也沒有它的橫移，更沒有形成這個(gè)像的渡 前的相位移。

因此，望遠(yuǎn)鏡焦面每一點(diǎn) 像的結(jié)構(gòu)都由每一個(gè)物鏡所形成的光擾動(dòng) 的相加結(jié)果確定．并不僅取決于物鏡綜合 孔徑的配置，而且取決于被觀察像點(diǎn)與望 遠(yuǎn)鏡焦點(diǎn) 餉距離。 象借助于放在像面附近的透鏡(斯密特 透鏡【1l】)校正像臼勺彎曲一樣， 可以利用光 楔試一試像傾斜的補(bǔ)償�，F(xiàn)在我們來(lái)看看 圖2(a、6)，在圖中示出光楔 的主截面與 它的棱面之間的夾角∞。直線0一D．決定 著第J個(gè)物鏡光軸的位置．而^r貝 是物鏡所 形成的像。

參量 確定著光楔前棱面到沿 著Di一01軸線的像^咱自距離，而 是光楔沿光軸的厚度，在光楔面上折射后，光軸 對(duì)原來(lái)的方向傾斜一角度y， 井取q 一0． 位置。 由于望遠(yuǎn)鏡的角視場(chǎng)值足夠小，作初 步近似計(jì)算時(shí)，我們將認(rèn)為主光線的光程 是遠(yuǎn)心光程。為了導(dǎo)出具有重要意義的關(guān) 系．方便地利用子午和弧矢Abbe-IOHI"不 變式， 當(dāng) ∞ 時(shí)，這兩個(gè)不變式為： 旦量 一~C05 1 0 ； 緝一旦；0 【28) _ ： 我們對(duì)光楔配置的兩種方案進(jìn)行關(guān)系 的推導(dǎo)。在如圖2 a所示的第一種場(chǎng)合下， 光楔的入射棱面被配置成垂直于光軸 D 一D，，在這種情況下，^= ’=0 ， ， ． ／ I ^’ q ‘ 圖2 a i2=CO，而 I ： = 0。時(shí)光楔的兩 個(gè)棱面接著運(yùn)用Abbe—IOHI"不變式并作r 必要的變換后，我們得到以下幾個(gè)公式， 這些公式計(jì)算梭光楔K帶到像上的 像散量As‘ = 一 ； ；像? 對(duì)垂直于 光軸D 一0 平面的縱散焦 ；角 和 像比例的相對(duì)變化(光楔主截面上的畸 變) = ： 以及光軸的斷裂角 ； l J r 堋 = ( 一 )( 一1) +蘭¨_ ，，r (2 9) ： 一 (1+ ) ’ (3 0) ： 一 (】+ m )m (31) = 一 (32) = (n-1)0+盟 (33) 圖2 b 在如圖2b所示的第二種場(chǎng)合下，光楔 的出射棱面垂直于光軸0 — }，這 時(shí)f2= =O，而i；=～ 。由躅應(yīng)當(dāng)看出： s ，·= 。+ ，一 So-l’，’ 1+ (34) 同樣運(yùn)用Abbe-IOHr不堡式，得到以 下各式： =一 ( 一 · ) (35) 一 (1+ 絲 ： ’ (36) = 一 (1+ 毒 (37) = · (38) = (H—1)(1+ 國(guó) (39) 在兩種情況下取到⋯次小量精度已夠。 一l (40) 對(duì)(4O)式取擻分后，得：dn=礎(chǔ)= y =等(4i) 式中，． —一圯楔材料的色散系數(shù)。角 與 材料色散的關(guān)系決定像的位移色差 。 國(guó) ’=s’2 d ／cos (42) 當(dāng)ij=O時(shí)，得： = ( 一 + ’，)co (43) flu 而當(dāng) 時(shí)， 國(guó) =旦 【 。一 一(n 一1) - ]co (44) r¨ l 此外，在會(huì)聚光束中．光楔給像帶來(lái)彗 差，這時(shí)，橫彗差的太小由下式確定[12】： = 一 。 由式(32)和(38)的關(guān)系應(yīng)當(dāng)看出，可 以用調(diào)校光楔棱面的傾斜消除像的畸 變。由式(29) (35) (45) (43)和(44)看 出， 令 一以 =O， 即把光楔放在像面 附近呵以使像散， 彗差以及像位移色差 太太減小。然而．這只有在物鏡光學(xué)系 統(tǒng)中預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)上一個(gè)中間像的情況下才 可能。把光楔配置在中間像面附近之后， 物鏡后面部份的配置應(yīng)考慮光軸被光楔 折斷使望遠(yuǎn)鏡整個(gè)系統(tǒng)的裝配和校正過(guò) 程變得明顯復(fù)雜。 式(3O) (31)、(36)和(37)以取到一階小 量的精度有以下形式： = 一 = 一 n2 -1 由像傾斜的補(bǔ)償條件 ：Σ+ ：0，求出 國(guó) n ￡ — l 一 (46) (47) 即由等式 (48) 當(dāng) ￡=2 = ／f =1／30時(shí) 一 ’ 。 當(dāng)n=1．5時(shí)， ≈2 18 ，而當(dāng)H=0 時(shí)，∞≈l l6 。 將式(48)代入式(46)，得： = -I’』 Σ=f~oo"sΣ (49) 即借助于光楔補(bǔ)償像傾斜不會(huì)造成波 前相位移的補(bǔ)償，這種相位移正如已經(jīng)指 出的那樣．直接影響物鏡系統(tǒng)所形成的像 的結(jié)構(gòu)。然而。解決像傾斜補(bǔ)償任務(wù)的另 一條途徑在原理上是可能的。這條途徑的 實(shí)質(zhì)在于： 眾所周知【12 l3、l4】，傾斜(偏心)。

無(wú)論是表面的。還是光學(xué)系統(tǒng)的一部分和 整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的，都將導(dǎo)致像傾斜。實(shí)際 上，假定物AB垂直于光學(xué)系統(tǒng) ．的光軸， 如圖3口所示。 圖3 a 光學(xué)系統(tǒng) 形成物AB的像A B 以 及垂直的光軸。假定光學(xué)系統(tǒng)‰ 繞節(jié)點(diǎn)偏 轉(zhuǎn)一角度∞，這時(shí)，對(duì)系統(tǒng) b是物的像A B 與‰ 的光軸一同形成一個(gè)角。這個(gè)角等于 系統(tǒng) 的主面與系統(tǒng) 光軸之間的夾 角。根據(jù)幾何光學(xué)定理，物線A 口和光學(xué) 系統(tǒng) b所形成的像A B 應(yīng)與系統(tǒng) 相 應(yīng)的主面相交于離其光軸相等的距離上，廣州市駿凱電子科技有限公司 也就是正如從簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系看出的一 樣，光學(xué)系統(tǒng) 傾斜一角度∞造成像A B 對(duì)系統(tǒng) 光軸的法線傾斜一角度度 ：(1一 這里， —-系統(tǒng) 的線 放大率。當(dāng)系統(tǒng) ．的光軸傾斜⋯角度 時(shí)， 像對(duì)系統(tǒng) 光軸法線的傾角等于 = 一 ， 而對(duì)系統(tǒng) 光軸法線的傾角 = (1一 )∞，這時(shí)，在系統(tǒng)‰ 的像空間， 像的傾角 ：(1一 ) 回 如果物位于無(wú) 窮遠(yuǎn)處( O)，那么， 光學(xué)系統(tǒng) 傾斜一角 度 ．導(dǎo)致像面(焦面)對(duì)系統(tǒng) 光軸o，一o． 的法線在它的最初位置傾斜同一角度啦， 即 ：= ，。這時(shí)．在半徑為 的圓上焦 點(diǎn) 移到點(diǎn)霜，如圖3b所示，系統(tǒng)鶴在 圖面上的焦面軌跡繞到位置 ，而軸上點(diǎn) 的像從點(diǎn) 沿光軸D，一0，移到點(diǎn) !。 0 、、 。— — n 團(tuán)3 b 對(duì)于軸上物點(diǎn)．該點(diǎn)的方向線與光袖 。J—q 形成角 視場(chǎng)角)，根據(jù)圖3b，有 q= [tz(coJ—w )一lg 】 Sln vP． 一廠 J—co—s(％——-w— j L)c～os％ (50) 考慮到角 和 是小量，取到小量的 二次方，精度已足昭。于是，有 一 (1+ 一 +{ ) (51) 肖(-Oj=0時(shí)； ，’， 一 (1+ )wf (52) 由此應(yīng)當(dāng)?shù)玫?) 假定對(duì)于系統(tǒng) ，量4f ，而對(duì)于系 統(tǒng)仍，m =-69，這時(shí)wJ=W’r=w。于 是， ： 一 ：=2洲。

為了評(píng)價(jià)波 前相位移這個(gè)量的大小，我們計(jì)算從光學(xué) 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)到與光軸成 角的物上這一點(diǎn)的 像這段光路￡的變化。由圖3 應(yīng)有： ， ；I hi 一) 】(5 ) 當(dāng)q==o時(shí)·L (1+’尋w：】。這時(shí)， 波前的相位移 ： 一 去 ( — (55) 假定對(duì)于系統(tǒng) ．量 = 。而對(duì)于系統(tǒng) ． 其光軸平行于系統(tǒng) 的光軸．并對(duì)望遠(yuǎn) 鏡的光軸對(duì)稱， 量 一 這時(shí)， = — =2／ ， 這 里 ／= =廠 。由像傾斜的補(bǔ)償條件．即由 等式 。 ’ =O，求出 — 一∞。令 =2 = ，，=l，30，得 ；：一士， 。 當(dāng)D~=1．gm，1’=54m H{， ~=-3c：,OOw(mm)。 甚至當(dāng) =一l 時(shí)， ．≈1．0mm。由式(50) 和(54)的分析應(yīng)當(dāng)看出，既消除像的畸變， 又消除波前相位配合失調(diào)的任務(wù)原則上已解 決．相位配合的實(shí)質(zhì)極其簡(jiǎn)單，在于使緣面 配置在曲率半徑等于 球面上 這樣～來(lái)， 以 一 ，_， 一 r ， 即 ：罩0。這時(shí)L塒島L，= ， 即△ ．§0。 ． 。 然而，回想一下．我們僅僅在分析望 遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造原理圈。用實(shí)際的光 學(xué)系統(tǒng)代替薄光學(xué)系統(tǒng)之后，由于節(jié)點(diǎn)之 間的距離有限，必須考慮物鏡光軸的橫向 位移；必須解決使望遠(yuǎn)鏡的焦距與物鏡綜 合孔徑中的光路相等的問(wèn)題；由于入瞳像 和物像的像差。尤其是物鏡要求的傾角大 大超過(guò)望遠(yuǎn)鏡的工作視場(chǎng)．所以遼必須考 慮像的畸變以及波前相位配合的失調(diào)。實(shí)際上，物鏡要求的傾角 全由角 確定， 它的絕對(duì)值等于角．盯：￡，即∞ ：!。當(dāng) ， o-； =2o" =l／30 時(shí) r我們得到 m ．33(3)。假設(shè)在半徑為，的球面上． 2， (0．5 m 。 我 們： 得 到 2w． 0．0093(f =54 m1。由對(duì)褪量的tt 較應(yīng)當(dāng)看出，物鏡要求的傾角不小于3．6 倍，超過(guò)了望遠(yuǎn)鏡的工作枧場(chǎng)。在校正參 量數(shù)量有限的情況下． 大型望遠(yuǎn)鏡工作視 場(chǎng)范圍內(nèi)的像差修正是非崔嚴(yán)肅的問(wèn)題， 而在對(duì)中心區(qū)(以角度值表示)的移動(dòng)超過(guò)中 心區(qū)幾倍醐 作視殤范圍內(nèi)對(duì)畸變校正嚴(yán) t 格要求韻情況下．像差修正的必要性使事 情變得很復(fù)雜，尤其是當(dāng)望遠(yuǎn)鏡工作于寬 光譜區(qū)時(shí)，作為補(bǔ)充反射面的每一個(gè)校正 參量的引入都將導(dǎo)致射到望遠(yuǎn)鏡入瞳的輻 射損失不少于15％．因此，物鏡光學(xué)系統(tǒng) 的復(fù)雜可能使解決上述問(wèn)題帶來(lái)的實(shí)際好 處完全喪失。這樣，不是立即在視場(chǎng)各點(diǎn)， 而是依次在感興趣的每一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)波前相位 配臺(tái)的想法就十分自然了。很明顯，這一 任務(wù)可以通過(guò)借助于平面反射鏡E 和島．

系統(tǒng)(見圈1)或者代替反射鏡 i的角形反 射鏡系統(tǒng)的精確移動(dòng)使每一個(gè)物鏡焦面￡ 的所選點(diǎn)(其中包括后焦點(diǎn))依次重合來(lái)解 決。因?yàn)橛媒切畏瓷溏R的移動(dòng)可以使像在 水平方向和豎直方向不相關(guān)地移動(dòng)【15k 渡 前相位配合的失調(diào)可以借助專門的(通常是 光一電)裝置在出瞳或者出瞳像的相應(yīng)區(qū)補(bǔ) 償?shù)奖匾�的量。然而，在結(jié)構(gòu)上解決這項(xiàng) 任務(wù)的方案，根據(jù)作者的意見，顯然在運(yùn) 用規(guī)劃中的確還不是那么可以接受。最后， 慎重地指出以下幾點(diǎn)：從第 個(gè)物鏡的出 瞳到它的焦面的距離往往相當(dāng)長(zhǎng)。在這種 情況下，反射鏡 ．在結(jié)構(gòu)上是合理的．而 間或可以放在像面附近．在系統(tǒng)的組成部 分中去除焦點(diǎn)會(huì)造成非常厲害和不對(duì)稱的 視場(chǎng)遮光。 所研究的望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的 一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是能夠與組成綜合孔徑的 每一個(gè)物鏡(望遠(yuǎn)鏡)無(wú)關(guān)地工作【6]。

很自然，像的調(diào)焦 日渡前銜接的問(wèn)題 用另一套方案加以解決．這套方案是在結(jié) 構(gòu)上實(shí)現(xiàn)建造由一個(gè)個(gè)望遠(yuǎn)鏡裝配起來(lái)的 綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的摸塊式結(jié)構(gòu)。 這些望遠(yuǎn)鏡的光軸相互平行并平行于中央 調(diào)焦系統(tǒng)的光軸。中央調(diào)焦系統(tǒng)被放置在 望遠(yuǎn)系統(tǒng)后面并形成最終像【16，6】．如圖 4所示。 圖4 在圖4中， ．．——望遠(yuǎn)系統(tǒng)； ．， 。一 — 平面反射鏡； - 調(diào)焦系統(tǒng)。圖中示出 的其余參量的意義十分明確。為了評(píng)價(jià)綜 合孔徑望遠(yuǎn)鏡所成像的像質(zhì)，必須確定波 前在調(diào)焦系統(tǒng)前面空間中的結(jié)構(gòu)。望遠(yuǎn)系 統(tǒng)所成的軸外點(diǎn)像上的波像差可以用下式 確定： w、T、加 (56) 式中，w_ 望遠(yuǎn)系統(tǒng)角視場(chǎng) 一半； 望遠(yuǎn)系統(tǒng)入瞳上的座標(biāo)。在由綜合孔徑組 成部分中的望遠(yuǎn)系統(tǒng)形成的渡前的一般結(jié) 構(gòu)中，由式(56)確定的第 個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)的波 像差自然就用從被研究的那個(gè)系統(tǒng)的出瞳 出來(lái)的光束的渡前在主光線方向的相位移 來(lái)補(bǔ)充【17]。這時(shí)，我們得到 = (w，0，O)+ (w， 柵 (57) 為了求出 w,0，0)的值，我們來(lái)看一 看文獻(xiàn)【18】，在該文獻(xiàn)中指出， 由滿足傾斜一 (C -0(1-cos7,) (87) 1一 0-COS計(jì) 、 由此應(yīng)當(dāng)看出， 當(dāng)廠 0。 128-F 與光學(xué)系統(tǒng)最佳結(jié)構(gòu)的分析研究相 比，并非不那么復(fù)雜的問(wèn)題是望遠(yuǎn)鏡組成 部分中光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式問(wèn)題。望遠(yuǎn)鏡 的結(jié)構(gòu)應(yīng)確保各光學(xué)零件的去載，支撐結(jié) 構(gòu)各部分彎曲差的補(bǔ)償，當(dāng)對(duì)準(zhǔn)觀察目標(biāo) 并跟蹤它時(shí)，質(zhì)量巨大的各組件能平穩(wěn)而 精確地移動(dòng)等等。難以想像傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 的 主反射鏡直徑10米和lO米以上的望 遠(yuǎn)鏡。這套最復(fù)雜的裝置與其說(shuō)是光學(xué)實(shí) 驗(yàn)室，不如說(shuō)是光學(xué)工具，在這套裝置中， 吊掛式設(shè)備的質(zhì)量通常僅僅是望遠(yuǎn)鏡活動(dòng) 質(zhì)量的一小部分。

因此， 自然將這套裝置 配置在只能作圓周移動(dòng)的水平基座上，在 這種情況下，高度(俯仰角)上的對(duì)準(zhǔn)通過(guò) 使與望遠(yuǎn)鏡光軸成45。角的平面反射鏡繞 光軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)， 也就是根據(jù) A．B．Meauen[37]所提出的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)行 高度對(duì)準(zhǔn)，該望遠(yuǎn)鏡裝有成45。 傾斜的 定星鏡。這樣一套對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)等效于運(yùn)用地 平經(jīng)緯儀組合情況下，與近高射范圍內(nèi)的 對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題相吻合的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)。裝有定星 鏡的系統(tǒng)，其優(yōu)缺點(diǎn)在文獻(xiàn)[37】中詳述。 分明顯，光學(xué)系統(tǒng)原理方案以及決 定反射面面形穩(wěn)定性，它的組成穩(wěn)定性的 某些復(fù)雜問(wèn)題的分析并不能完全解決建造 大型望遠(yuǎn)鏡的所有問(wèn)題。然而，甚至在遠(yuǎn) 沒有全面分析的情況下， 對(duì)建造大孔徑現(xiàn) 代望遠(yuǎn)鏡問(wèn)題的復(fù)雜性，對(duì)其經(jīng)典結(jié)構(gòu)方 案的”壽命”原因都有了相當(dāng)清楚的認(rèn)識(shí)。 在這種情況下，與望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方 案的選擇無(wú)關(guān)．重要的問(wèn)題是主反射鏡或 者確保其高強(qiáng)度的主反射鏡各組成部分的 材料及結(jié)構(gòu)的選擇。 由式(3)應(yīng)當(dāng)看出，板面的自重變形跟 楊氏彈性模量E對(duì)材料密度，之比成反比。 鈹?shù)倪@個(gè)比值是創(chuàng)紀(jì)錄的，它等于15．1× l0岳m(xù)。這個(gè)比決定工作方向，工作的結(jié)果 是制造出直徑1200mm 的鈹反射鏡，反射 鏡的質(zhì)量不超過(guò)50kg[38 39]。然而，鈹 反射鏡的生產(chǎn)過(guò)程極毒。當(dāng)E／y=12．8X 10 m 時(shí)，ceYIHRHpOBaHHhl~l碳化硅的楊氏彈性模 量值更高。在相等的彎曲條件下，碳化硅 反射鏡的質(zhì)量比鈹反射鏡少一半。

此外， 在介質(zhì)熱量發(fā)生變化的條件下，反射鏡的 體積也發(fā)生變化，在各向同性彳卜質(zhì)的場(chǎng)合， 體積變化的大小職決于線性熱膨 脹系數(shù) 整片介質(zhì)中的熱傳導(dǎo)過(guò)程用導(dǎo)熱 方程描述【4o】，這時(shí)，熱通量密度蠆正比 于溫度梯度T： =-．2gradT，式中， 一 導(dǎo)熱系數(shù)(或簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱率)，^與T無(wú)關(guān)，而 僅僅取決于材料特性。在彳卜質(zhì)的熱變化為 一般的場(chǎng)合，內(nèi)應(yīng)力的形成，從而反射鏡 工作面的局部變形不僅取決于線膨脹系數(shù) (不等于O 的大小，而且取決于導(dǎo)熱系數(shù) 的大小，這樣一來(lái)，自然提出根據(jù) 值的 大小， 比較評(píng)價(jià)材料對(duì)反射鏡工作面出現(xiàn) 難以補(bǔ)償?shù)木植繜嶙冃蔚挠绊�。碳化硅�?這個(gè)指標(biāo)甚至并不亞于線膨脹系數(shù)報(bào)小的 合金熔融石英ULE�，F(xiàn)在，已經(jīng)掌握了輕 便大型(直徑達(dá)lm)碳化硅反射鏡的制造。 在有必要設(shè)備存在的情況下，今天已能制 造直徑2m以上的碳化硅反射鏡[4U。 最后，適當(dāng)?shù)鼗貞浺幌拢�現(xiàn)代光學(xué)儀器 是光學(xué) 電子學(xué)和計(jì)算技術(shù)的協(xié)調(diào)結(jié)合，而 圖像處理成就原則上取決于光電接收裝置的 參量。在由量D決定的角分辨力不變的情況 下。在光熱塑性材料基礎(chǔ)上研制出來(lái)的高分辨 光電接收裝置的運(yùn)用決定著構(gòu)建物鏡小型光 學(xué)系統(tǒng)的可能。擁有碳化硅反射鏡的必要毛 坯及其加工工藝之后．完全可以制造外形和 質(zhì)量上最佳，參量上有效的現(xiàn)代觀察系統(tǒng)。