中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

为了帮助天文学家实现遥远星系的清晰成像，地基光学望远镜、太空光学望远镜需不断提高分辨率，增大其集光能力，在工程可以实现的情况下将望远镜口径做大。现今制造水平单块光学镜面口径最大可以做到 8米，但其制作复杂、造价高昂、工程周期长，无法满足日益增长的望远镜建造需求。因此，国际下一代三十米级光学望远镜主镜更倾向于采用拼接式非球面反射镜来加快建设进程。为了实现拼接子镜面形的高精度检验，本文基于计算全息零位补偿原理，开展如下研究工作：

1：文章基于二元线性光栅衍射理论，探讨了计算全息衍射波前与其制造误差的关系，分析结果表明用于非球面面形检测用的 CGH（Computer Generated Hologram, CGH），其基底透射波前误差为检测光路的主要误差来源。以CGH工作光路或平行光自准直光路零级衍射光对基底透射波前进行标定，会引入额外的球差或光束剪切误差，为使标定光路残余像差最小，提出了标定光路的选用原则。

2：以口径Φ260mm 的离轴抛物面为例，详细探讨了检测光路CGH 的设计方法，包含主全息相位、对准全息相位、基准全息相位的计算。通过商用光学软件精确的光线追迹功能对检测光路元件调整误差展开分析，建立了元件失调误差与低阶像差之间的关系，便于快速、准确的寻找光学系统失调原因。制作了一块振幅型 CGH对该离轴抛物面反射镜进行检测，待测镜面形误差PV 值为0.32λ，RMS 值为0.024λ，验证了CGH 计算方法的有效性。

3：针对美国三十米望远镜（Thirty Meter telescope, TMT）主镜的拼接非球面子镜，完成了折衍补偿零位检测方案的详细设计。TMT 主镜曲率半径为60m，由492块对角径为1.44m的六角形镜面拼接组成，其中包括82种不同离轴量的非球面镜面。若以单块CGH对离轴镜面进行测量，检测光路长达60m，空气流动、环境温度、振动等因素对检测光路影响严重，镜面面形测量不确定度较大。折衍补偿零位检测方案由南京天光所大口径光学技术研究团队提出，以一块口径Φ1.5m 的消球差单透镜缩短检测光路长度、补偿检测光路大部分像差，以及一块CGH组合补偿检测光路残余波像差。检测光路长度缩短为 13.63m，降低了检测光路对环境的要求。论文提出了相应的光路对准方案，完成了检测光路测量精度的讨论。不同离轴量子镜检测光路元件相对位置完全相同，仅更换调整CGH、重新调节待测镜空间姿态即可完成82 种不同离轴量子镜的面形检测，干涉仪、消球差单透镜的位置不必调整。折衍补偿零位检测系统有效避免了光路元件的大范围调整，提高了不同离轴量子镜的检测效率。

4：针对国内正在争取立项建造的十二米光学红外望远镜（Large Optical Telescope, LOT）主镜的拼接非球面子镜，文章探讨了一种反衍补偿零位检测方案。LOT主镜曲率半径为38.4m，由84 块对角径为1.44m 的六角形镜面拼接组成，其中包括了14种不同离轴量的非球面镜面。折衍补偿零位检测方案中消球差单透镜口径 Φ1.5m，两个表面精度要求严苛，为降低补偿元件的加工难度，反衍补偿零位检测方案以一块口径Φ1m的球面反射镜和一块CGH组合补偿离轴镜面的非球面偏离量，检测光路长度为15m。不同离轴量子镜检测光路元件相对位置完全相同，仅更换调整相应位置CGH、重新调节待测镜空间姿态即可实现14种不同离轴量镜面的高精度零位测量，干涉仪、球面反射镜空间姿态不必调整。不同子镜对应的CGH 仅主全息加工范围、相位函数不同，对准全息、基准全息加工区域、相位函数完全一致。该设计方案可以有效加快镜面的加工、检测进程，为大口径离轴、拼接非球面子镜的批量研制提供一种高效的检测手段。