大口径大视场校正镜组支撑与装配方法综述

唐 境,张景旭,安其昌,刘昌华,陈 涛,明 名

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033；2.中国科学院大学,北京 100049)

1 引 言

建造新一代大视场巡天望远镜,提供大规模数字图像巡天能力,在图像观测的灵敏度和时间分辨率方面不断突破,已成为地面光学设备发展的主要趋势之一[1-2]。

望远镜的分辨能力与口径成正比(分辨细节的能力=1.22λ/D,其中λ为观测波长,D为有效的通光孔径),增加口径可以有效地提高对临近目标的探测能力；同时望远镜的集光能力与口径的平方成正比,针对大视场望远镜,提升口径可以有效提升暗弱目标观测数据信噪比,拓展极限探测能力,对更加深远的宇宙进行探索[3]。因此,大口径大视场望远镜是未来发展时域天文的关键。

目前,国外拥有多台大视场数字巡天能力的终端/望远镜,如图1所示。图1(a) 4 m Mayall望远镜最新的主焦点终端,BigBoss具有3°视场,焦比为f/2.7[4]。图1(b)Dark Energy Camera(DeCam)是目前最成功的大视场终端之一,Blanco望远镜主镜口径为4 m,利用其1.5°视场的主焦点巡天设备进行暗物质与暗能量探索[5]。图1(c)VLT Survey Telescope(VST)口径为2.6 m,视场为1°,其科学终端为位于卡塞格林焦点处的“OmegaCAM”[6]。图1(d)SDSS(Sloan Digital Sky Survey)望远镜口径为2.5 m,视场为3°[7]。图1(e) 8.2 m望远镜Subaru Hyper Suprime-Cam视场为1.34°,采用主焦点式光学系统,其能量损失最小,对于大视场系统有着特殊的优势,目前Subaru在主焦点巡天方面,产生了大量的科学产出[8]。图1(f) large synoptic survey telescope(LSST)为8.4 m口径,视场3.5°的下一代大口径大视场望远镜[9]。

图1 国外大口径大视场望远镜[4-9]

校正镜组是望远镜成像前光束处理的重要组件,消除系统残余的彗差、像散、色差和畸变[10],提高成像质量[11]。虽然不同的大口径大视场望远镜采用的光学形式不同,但是望远镜的校正镜组透镜口径较传统望远镜均有明显的增加。因此为了保证在重力和温度变化下透镜的面形精度和成像质量,大口径大视场望远镜对校正镜组透镜支撑结构的设计及其安装方式的选择,对望远镜系统具有十分重要的意义。

本文系统总结了大口径大视场望远镜校正镜组透镜的支撑结构及安装方式,并对现有结构和方法的优缺点进行归纳,期望能够为大口径大视场望远镜校正镜组的支撑设计提供帮助的相关技术。

2 校正镜组支撑的光学设计要求

校正镜组支撑结构一般需要满足以下几点设计目标:

(1)透镜及支撑结构应力低[12]

通过计算分析,Multiple Mirror Telescope(MMT)要求其校正镜组的光学元件最大许用应力为3.4×106N/m2,支撑结构最大许用应力为124×106N/m2。

(2)透镜相对位移小[12]

相对位移包括透镜的对中误差,倾斜误差和透镜间误差等。例如Blanco望远镜中DeCam校正镜组最大口径透镜的对中误差最大不超过±25 μm,倾斜误差不超过±27 μm2。

(3)透镜面形精度高[12]

由于校正镜组为透射式光学系统,因此透镜的面形精度包括每个透镜前后两面的面形误差RMS值。如Large Binocular Telescope(LBT)校正镜组的设计要求为,透镜面形误差RMS小于50 nm[14]。

(4)成像质量要求高

一般来说透镜的支撑好坏主要由成像质量决定。对于透镜成像质量的评价标准主要分为PSF点扩散函数,80 %能量集中度和FWHM半高全宽等。例如Blanco望远镜要求图像质量RMS半径小于9 μm[13],Korea Micro-lensing Telescope Network(KMTNet)校正镜组成像质量要求FWHM小于1″[15]。

针对这些特点,可以看出大口径大视场望远镜的校正镜组的加工、支撑以及装配环节均需要十分细致的分析与工艺摸索。

3 透镜支撑结构形式

透镜支撑结构被动支撑,支撑位置位于透镜侧面,多采用径向支撑和轴向边缘支撑相结合的方式。主要分为压圈隔圈,RTV弹性体支撑和柔性结构支撑三条技术路线。其中压圈隔圈支撑为传统小口径透镜支撑方法,选用SDSS望远镜相机,Gemini望远镜光谱仪和European Extremely Large Telescope(E-ELT)光谱仪中透镜结构作为简述,本文重点列举RTV弹性体支撑和柔性结构支撑方式。

3.1 压圈隔圈支撑

由于大口径望远镜选用不同的光学形式,部分望远镜科学终端内的校正镜组口径较小,可采用传统的压圈隔圈的方式固定支撑透镜,与其他光学仪器所采用的方法相同。

1998年,SDSS望远镜相机所选用的透镜支撑方式为:透镜压入固定有6块弹性支撑块的镜室中,轴向支撑一端采用Kapton隔圈,另一端采用O型圈的方式,如图2所示。镜室材料为铝,弹性支撑块材料为玻璃纤维填充聚四氟乙烯。

2006年,在SDSS设计的基础上,Stephen A.Smee等对Gemini的宽视场光线多目标光谱仪(WFMOS)进行了透镜支撑分析设计,结构与SDSS基本相同,尺寸为SDSS相机透镜125 %。镜室材料为铟钢38[16]。

在欧洲南方天文台(ESO)建造的E-ELT望远镜高角分辨率单片光学和近红外积分视场光谱仪(HARMONI)的透镜支撑设计中,同样采用径向定位柔性结构和隔圈相结合的方式。该支撑方法已成功应用在Gran Telescopio Canarias(GTC)近红外多目标成像光谱仪(EMIR)的准直透镜支撑中,如图3所示。

图3 ELT平行光管透镜支撑结构[17]

该设备内透镜最大口径为500 mm,径向支撑结构采用2个定位和1个柔性弹簧支撑块,支撑块沿圆周呈120°分布。透镜材料为无水熔融硅,定位支撑块为铝制,粘接有一定厚度的PTFE聚四氟乙烯。柔性弹簧支撑块为钢制,支撑块上粘接有一定厚度的Teflon弹性材料。轴向支撑为材料为用于施加一定预紧力的Teflon压圈和铝制CUBE弹簧压圈[17]。

3.2 RTV弹性体支撑

由于可靠性高、结构复杂程度低等优点,大口径望远镜校正镜组中大口径透镜支撑多采用RTV弹性体支撑的方式。该支撑方式可分为离散RTV块支撑,RTV环支撑及RTV柔性结构相结合的三种支撑方式。

1998年,Robert Fat等提出了宽视场校正器的透镜设计结构,如图4所示。MMT望远镜校正镜组中的透镜最大直径为800 mm。透镜组由离散RTV垫片统一固定在镜筒中,支撑结构由24个粘接有方形RTV垫片的径向支撑块和24个轴向RTV垫片支撑相结合。径向支撑为主支撑,其支撑块由4个螺钉固定到镜室上的预留孔中。为了防止引入额外热应力进而影响透镜成像质量,轴向RTV垫片仅单面粘接到镜室上。透镜材料为熔石英,镜筒材料为铟钢39,弹性垫片材料为RTV560,粘接RTV底漆为SS4155[18]。

图4 MMT透镜支撑结构[18]

基于MMT透镜支撑的原理,2008年A.P.Doel等人提出Blanco望远镜DeCam的透镜支撑设计方案,如图5所示。该结构透镜最大直径为980 mm,工作温度为-5～27 ℃,重力角度变化为0～45°。与MMT校正镜组透镜支撑方式不同的是,DECam单片透镜安装在独立镜室中,各镜室与镜筒由柔性结构连接。透镜径向支撑为24个粘有方形RTV垫片的支撑块,轴向为24个RTV垫片支撑,粘接方式与MMT相同。挡板安装在主镜室顶部,防止在不同重力角度下RTV垫片粘接失效后透镜脱落。螺栓将镜室、镜筒与柔性结构镜筒间的定位钢环和隔圈固定连接,以隔离机械振动,灵活调节透镜间距,完成无热化设计。透镜材料为熔石英7980,镜筒材料为钢,镜室材料为铟钢38,弹性垫片为厚度2 mm的RTV560[13]。

图5 DeCam透镜支撑结构[13]

2011年Peter Doel和Robert Besuner等提出Mayall望远镜校正镜组的透镜支撑结构,如图6所示。该透镜最大尺寸为1143 mm。工作温度为-10～30 ℃,工作情况下重力变化角度为0°～60°。透镜支撑结构与DECam近似,主要区别为镜室轴向支撑斜面加工为单独金属块,插入到镜室的预留孔中,便于镜室加工及透镜安装。透镜材料为熔石英,镜室材料为铟钢38,镜筒材料为A36钢[4]。

图6 Mayall透镜支撑结构[4]

在William Herschel Telescope(WHT)的主焦点校正器的设计分析中,Don Carlos Abrams等设计如图7所示的透镜支撑结构。该透镜最大口径为1100 mm。透镜支撑方式采用24个直接粘接到镜室的圆形径向RTV垫片和24个轴向方形RTV垫片,粘接方式与MMT相同。该透镜材料为熔石英7980,镜室材料为铟钢,弹性垫片材料为RTV[19]。

图7 WHT透镜支撑结构[19]

LBT望远镜的双主焦点相机的透镜结构设计于2004年,由Roberto Ragazzoni等人提出,如图8所示。透镜最大直径为810 mm,该结构径向支撑为6个弹性垫片,轴向支撑为3个硬点支撑和三个无定向杠杆,在镜室和镜筒间装有钢制垫圈,以此来匹配材料间的不同热膨胀系数。与上文望远镜所采用的全RTV垫片支撑相比,该结构参考了主镜支撑方法,采用硬点固定透镜位置,无定向杠杆支撑结构以降低镜室变形的敏感性。透镜材料为BK7,镜筒材料为钢,镜室材料为Invar,弹性垫片材料为DELRIN[14]。

图8 LBT透镜支撑结构[14]

同年,Charles Delp等提出透镜RTV环的支撑方式,并成功应用于William Herschel Telescope(DCT)校正镜组中。在透镜与镜室对准的条件下,向镜室和透镜间缓慢注入RTV溶液,降低透镜及镜室材料间由热膨胀系数不匹配而引起的热应力。透镜口径为1100 mm,透镜材料为熔石英[20]。

Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System(Pan-STARRS)的 PS2校正镜组透镜支撑结构对直接注入RTV环的支撑方式进行了改进,如图9所示。透镜最大口径为600 mm。其主镜室顶部装有挡板以抑制校正镜组中的散射光。透镜侧面涂深色底漆,降低白色RTV环反光程度。透镜材料为熔石英,RTV环为厚度为3 mm的3122 RTV,镜室材料为钢[21]。

图9 Pan-STARRS PS2透镜支撑结构[21]

3.3 边缘柔性支撑

2017年,A.Barto,S.Winters等借鉴了Kepler望远镜的设计,对LSST相机的透镜支撑结构进行支撑分析设计,支撑结构如图10所示。该透镜最大口径为1550 mm。最大口径的透镜由24个Invar垫片进行径向支撑,Invar垫由上下垫有球形垫圈的螺钉连接在钛合金柔性结构上。L1L2两个独立的透镜单元由三角形截面的环形管状桁架结构支撑连接,该环形结构为透镜提供径向支撑,优化支撑结构,在减轻相机重量的同时保持足够的刚度和稳定性。支撑结构材料为Invar360,镜室材料为K63712/BT250E-1伪各向同性碳纤维复合板,挡光环和管状桁架材料为铝,柔性结构材料为钛合金[9]。

图10 LSST透镜支撑结构[9,22]

SDSS望远镜校正镜组的透镜支撑结构则采用30个切向接触的柔性支架,均匀安装与透镜外侧,切向杆厚度为3 mm,柔性支架固定在镜筒上,如图11所示。透镜尺寸为727 mm,透镜材料为熔石英7940,镜室材料为钢[23]。

图11 SDSS校正镜组透镜支撑结构[23]

与SDSS透镜支撑结构类似,WIYN望远镜的One Degree Imager校正镜组选用如图12所示的透镜支撑结构。透镜最大口径为591 mm。该支撑结构主要由轴向支撑所承担,径向支撑结构为18个L型切向支撑垫片,镜室与径向支撑垫片由销钉连接,径向支撑垫片与透镜间无预紧力,防止产生额外力矩影响成像质量。轴向支撑结构为轴向预紧环,与镜室由固定螺钉连接。支撑垫片与镜室间由支撑透镜材料为Schott Lithosil Grade Q2 Homogeneity H2,支撑结构材料为铝合金,镜室材料为铟钢36[24]。

图12 WIYN透镜支撑结构[24]

加州大学洛杉矶分校(UCLA)的J.M.M.Horn等对Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy(SOFIA)机载望远镜中红外开光测试实验相机(FLITECAM)准直器的透镜进行支撑结构的设计,如图13所示。透镜口径为165 mm,材料为LiF,由于该材料易碎且易受热载荷和机械载荷的影响,因此该透镜结构设计为6个弯曲柔性杆,隔离因重力和温度变化而产生的载荷。支撑结构材料为铝[25]。

图13 SOFIA FLITECAM透镜支撑结构[25]

2006年,Robert Fata等对MMT的Binospec光谱仪中透镜支撑方式同样选用切向杆的原理,如图14所示。该结构透镜的最大口径为356 mm。透镜支撑方式为12个装有圆形凸台的切向柔性支撑臂。透镜与镜室进行对中后,从镜室外的注胶孔中注入粘接剂。镜框/柔性结构材料为铝合金7050-T7451,圆形凸台材料为304L 不锈钢,由于结构内部流动有LL5610耦合剂(primer),该耦合剂与RTV材料产生反应,因此粘接剂材料选用Hysol 9313环氧树脂混合Siltex 44[12]。

图14 MMT Binospec透镜支撑结构[12]

由这种柔性切向杆支撑方式而衍生的设计还有很多,如2006年T.R.Froud,等人对Subaru 的近红外相机的透镜结构的设计,如图15所示。该透镜最大口径为255 mm,工作温度为-173～-937 ℃。轴向支撑为固定在镜室上的8个圆锥形INVAR弯曲柔性臂。柔性臂与透镜间采用铟钢柔性垫进行粘接。为使粘接剂形成薄膜,镜头周围采用硅酮胶贴一圈绵纸(cotton paper)[8]。

图15 Subaru近红外相机透镜支撑结构[8]

欧洲航天局EUCLID中的近红外光谱仪成像光度计(NISP)同样在切向杆支撑的基础上进行部分改进,如图16所示。透镜口径170 mm,透镜材料为CaF2。若采用预紧力方式固定透镜镜室,预紧力载荷与振动载荷将使透镜产生变形,因此选用粘接方式进行固定连接,支撑结构如图16所示,该结构可为透镜在不同工况下提供精确支撑力[26]。

图16 EUCLID NISP透镜支撑结构[26]

2013年GMT提出单边切向杆的柔性支撑方式,如图17所示。透镜最大口径为1540 mm,材料为N-BK7。支撑采用24点径向切向杆支撑结构,支撑杆一端由螺钉固定在镜室上,另一端粘接在透镜侧面。切向杆为单边支撑,采用9319环氧树脂进行粘接,粘接面圆形。直径35.6 mm。切向杆及粘接块材料为钛合金,镜室材料为铝合金[27]。不同支撑结构优缺点见表1所示。

表1 不同支撑结构优缺点

图17 GMT透镜支撑结构[27]

4 透镜对准/安装方式

校正镜组的对准及安装,其基本思想均为首先对准透镜与镜室,将透镜与镜室安装固定为一个整体后,再进行透镜组与镜筒间的对准与安装,本文主要以Blanco望远镜DeCam校正镜组为例。

如图18所示,DECam装调对准装置由18点Whiffletree支撑结构,Whiffletree倾斜调整装置,镜室支撑环,XY平移台和精密千斤顶组成。

图18 透镜及镜室安装结构[28]

首先将透镜及镜室分别放置于Whiffletree支撑结构和支撑环上,调整Whiffletree倾斜调整装置和精密千斤顶,分别使用千分表测量透镜及镜室径向表面,调整透镜和镜室至光轴垂直,如图19所示。

图19 透镜镜室基准测量[15]

将轴向RTV垫片粘接到镜室相应位置中,使用Micro-Epsilon光学位移传感器测量轴向RTV垫片是否为同一高度,容许误差为±25 μm。Whiffletree支撑结构材料为PTFE,支撑点的端面与透镜具有相同的曲率半径,端面上粘接有1 mm厚的Viton橡胶垫,使透镜与镜室装配实现面接触,防止出现应力集中的现象。使用精密千斤顶和镜室支撑环上的精密螺丝如图20所示,移动镜室至轴向RTV垫片与透镜刚好接触。在透镜和径向RTV支撑块间插入与胶层同厚度的纸张,以固定胶层厚度。取出纸张后在透镜上涂底漆和RTV胶,将径向RTV支撑块拧紧固定[29]。

图20 支撑环支撑结构和精密螺丝调整机构[29]

在校正透镜与镜室装调满足公差要求之后,各校正镜以组件形式进行装调检测,原理如图21所示。校正镜组对准方式主要利用两台相机同时测量激光光源发出的光,当透镜存在倾斜和偏心时,两台相机能够对定量测量倾斜和偏心的值,根据相机的反馈值对校正镜组的相对位置和倾斜量进行调整,直到满足透镜装调的公差要求。

图21 校正镜组激光对准原理图[30]

在激光对准测量的过程中,依次将透镜组件安装入镜筒,通过检测相机成像的偏心值,结算校正透镜的倾斜和偏心[30]。利用校正透镜镜室上预留的装调接口调整透镜组件的相对位置,达到校正镜组装调的误差要求微米级,如图22为透镜组对齐后激光对准反射光束图像。

图22 C1-C4透镜组反射光束图像[30]

5 结 语

目前的大口径大视场望远镜,透镜口径在200 mm以下的支撑结构多选用隔圈压圈或柔性切向杆方式,大口径透镜(200～1600 mm)多采用RTV弹性体和柔性结构支撑相结合的方式,透镜及透镜组的安装对准方式多选用千分表和激光对准方式,对准精度达到微米级。从目前形势来看,国内望远镜和光学仪器的透镜口径较小且工况单一,已有的支撑结构设计方案无法满足要求,与国际先进水平存在一定差距,因此对校正镜组透镜支撑结构的设计研究重要性日益突出。

从目前掌握的资料来看,大口径透镜支撑未来发展趋势主要分为以下两个方面:

(1)校正镜组支撑后需要一套完整统一的成像质量评价方法。目前国内多采用面形误差RMS值评价透镜支撑结果的好坏程度,国外评价标准主要采用光路追迹或观察点物实际成像的方式来评价成像质量,如80 %能量集中度、全宽半高(FWHM)等。

(2)柔性结构支撑技术将逐渐成为校正镜组支撑方式的主流。随着望远镜视场的增大和技术要求的提高,RTV材料的非线性以及热匹配性能均遇到极大的挑战。