CN114279687B - 一种用于主次镜相对弯沉的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于大口径望远镜主次镜相对弯沉的测量装置及其测量方法。所述测量装置包括次镜座、次镜端安装调整工装、平面反射镜、次镜端探测器、固定透镜组、调焦透镜组、光管安装调整机构、光管探测器、光纤点光源、分光镜。本发明采用光学及图像处理的方法，使用内调焦光管结合光纤点光源及探测器，以光轴为基准，用探测器接收光纤点光源像点并测量其脱靶量，直接测量得出主次镜径向位移误差。使用内调焦光管的自准直模式，通过测量平面反射镜的角度变化得出主次镜角度偏转误差。本发明原理明确，直接测量，结构简单，操作方便，精度高，实用性强。

Description

一种用于主次镜相对弯沉的测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于望远镜主光学系统装调检测领域的测量技术，尤其涉及一种用于大口径望远镜主次镜相对弯沉的测量装置及其测量方法。

背景技术

主次镜空间位置关系的高精度稳定是望远镜实现优良像质的重要保障，国外在建望远镜的口径已达到几十米量级，望远镜的镜筒自身刚度难以保证主次镜空间位置在微米级的位移形变和角秒级的角度偏转。之前传统的方法是在望远镜前后镜筒设计不同刚度的桁架结构，匹配主镜室与次镜组件的重量，最终保证主次镜的相对位置尽量不变；现在通常是给次镜组件加装六自由度调整装置，根据望远镜俯仰角度变化实时补偿次镜的位置，但是这个补偿量是通过有限元模型分析得出或者最后外场观星标定，没有高精度直接测量的手段。

有限元模型分析的方法能够分析出主次镜相对位置的变化，但对于如此庞大复杂的镜筒，有限元分析模型做了许多简化处理，精度有限，无法真正模拟主次镜的实际位置变化。

外场观星标定的方法是通过星点成像像差的方法标定补偿主次镜的相对位置，望远镜成像元件很多，影响像差的环节也很多，这些环节最终全靠次镜进行补偿，不能直接准确反映主次镜的位置变化。

激光跟踪仪等坐标测量手段可以测量大尺寸零部件的几何误差，但对于大口径望远镜主次镜弯沉的检测需要多站完成，精度难以保证，测量操作复杂，效率低，而且激光跟踪仪价格昂贵。

现有技术中还公开有一种大口径卡塞格林望远镜光学系统的装调，通过调整次镜与主镜的相对位置来实现，但是这种大口径卡塞格林望远镜的镜筒结构刚度相对较弱，一般在光轴水平状态装调好主次镜，当望远镜镜筒旋转指向不同高度角天区，镜筒受重力方向发生改变，这时会造成主次镜位置产生变化，导致望远镜光学像质变差。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明公开了一种可实现测量镜筒指向变化造成的主次镜弯沉的装置和方法。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

在本发明的第一方面，公开了一种用于大口径望远镜主次镜相对弯沉的测量装置，包括次镜座、次镜端安装调整工装、平面反射镜、次镜端探测器、固定透镜组、调焦透镜组、光管安装调整机构、光管探测器、光纤点光源、分光镜；所述固定透镜组、调焦透镜组和分光镜组成内调焦光管；所述次镜座用于安装望远镜的次镜，所述次镜端安装调整工装固定在次镜座上；所述平面反射镜和所述次镜端探测器安装在所述次镜端安装调整工装上；所述光管安装调整机构安放在主镜的中心孔后端；所述内调焦光管固定在光管安装调整机构上；所述光纤点光源连接在所述内调焦光管后端的焦点处，所述光管探测器安装在所述内调焦光管的侧面经所述分光镜转折形成的分光焦点处。

优选地，所述内调焦光管中的调焦透镜组沿光轴方向可移动设置，从而使得所述光纤点光源成像在所述次镜端探测器的靶面和无穷远位置。

优选地，所述光管安装调整机构为可用于调整所述内调焦光管光轴与所述主镜的光轴同轴的具备位置调整功能的机构。

优选地，所述次镜端安装调整工装具有两维角度调整功能，可调整所述次镜端探测器的靶面中心法线与所述次镜同轴，可调整所述平面反射镜的中心法线与所述次镜同轴。

优选地，当所述测量次镜径向位移弯沉时，所述次镜端探测器设置在所述次镜端安装调整工装上；当所述测量次镜角度偏转时，所述平面反射镜设置在所述次镜端安装调整工装上。

在本发明的第二方面，还公开了一种用于大口径望远镜主次镜相对弯沉的测量方法，包括步骤：

步骤1、测量前，选择径向位移测量模式或角度偏转测量模式，根据测量模式选择安装次镜端探测器或平面反射镜，调节好内调焦光管焦距，调整好内调焦光管及次镜端探测器或平面反射镜的位置姿态；

步骤2、测量时，操作本发明所提供的测量主次镜相对弯沉的装置，并记录数据；

步骤3、测量后，处理数据并输出测量结果。

优选地，当选择径向位移测量模式，步骤1包括：将次镜端探测器安装在次镜端安装调整工装上，使次镜端探测器接收光纤点光源的像点，并调整调焦透镜组的位置，使像点光斑最小。

优选地，当选择角度偏转测量模式，步骤1包括：将平面反射镜安装在次镜端安装调整工装上，调整调焦透镜组的位置，使内调焦光管发射平行光，并调整平面反射镜的角度，使平行光原路返回进入内调焦光管经分光镜反射成像在光管探测器，再重复调整调焦透镜组的位置，使像点光斑最小。

优选地，当选择径向位移测量模式，步骤2包括：在光轴水平状态下记录次镜端探测器水平及垂直两个方向的脱靶量，然后通过望远镜俯仰轴带动主次镜镜筒旋转，记录在不同俯仰角度下次镜端探测器水平及垂直两个方向的脱靶量。

优选地，当选择角度偏转测量模式，步骤2包括：在光轴水平状态下记录光管探测器水平及垂直两个方向的脱靶量，然后通过望远镜俯仰轴带动主次镜镜筒旋转，记录在不同俯仰角度下光管探测器水平及垂直两个方向的脱靶量。

优选地，当选择径向位移测量模式，步骤3包括：直接画出在不同俯仰角度下水平及垂直两个方向位移偏离曲线。

优选地，当选择角度偏转测量模式，步骤3包括：依据光管探测器在不同俯仰角度下水平及垂直两个方向的脱靶量，计算出在不同俯仰角度下平面反射镜水平及垂直两个方向的角度偏转，然后画出在不同俯仰角度下水平及垂直两个方向角度偏转曲线。

本发明能够取得以下技术效果：

本发明通过在传统方法的基础上创新改进，克服了传统方法的不足，采用光学及图像处理的方法，使用内调焦光管结合光纤点光源及探测器，以光轴为基准，用探测器接收光纤点光源像点并测量其脱靶量，直接测量得出主次镜径向位移误差。使用内调焦光管的自准直模式，通过测量平面反射镜的角度变化得出主次镜角度偏转误差。本发明原理明确，直接测量，结构简单，操作方便，精度高，实用性强。

附图说明

图1是本发明一个实施例的主次镜弯沉测量示意图。

附图标记：

次镜1、次镜端安装调整工装2、平面反射镜3、次镜端探测器4、固定透镜组5、调焦透镜组6、光管安装调整机构7、光管探测器8、光纤点光源9、分光镜10、主镜11。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种用于大口径望远镜主次镜相对弯沉的测量装置及其测量方法。下面将对本发明提供的一种用于大口径望远镜主次镜相对弯沉的测量装置及其测量方法，通过具体实施例来进行详细说明。

如图1所示，本发明的一个实施例公开了一个实施例的主次镜弯沉测量示意图。本发明公开了一种用于大口径望远镜主次镜相对弯沉的测量装置，包括次镜座(图中未示出)、次镜端安装调整工装2、平面反射镜3、次镜端探测器4、固定透镜组5、调焦透镜组6、光管安装调整机构7、光管探测器8、光纤点光源9、分光镜10主镜11；所述固定透镜组5、调焦透镜组6和分光镜10组成内调焦光管；所述次镜座用于安装望远镜的次镜1，所述次镜端安装调整工装2固定在次镜座上；所述平面反射镜3和所述次镜端探测器4安装在所述次镜端安装调整工装2上；所述光管安装调整机构7安放在主镜11的中心孔后端；所述内调焦光管固定在光管安装调整机构7上；所述光纤点光源9连接在所述内调焦光管后端的焦点处，所述光管探测器8安装在所述内调焦光管的侧面经所述分光镜10转折形成的分光焦点处。当测量时，将大口径望远镜的主次镜置于如图1所示的次镜1和主镜11的位置。

优选地，在本发明的一个具体的实施例中，所述内调焦光管中的调焦透镜组沿光轴方向可移动设置，从而使得所述光纤点光源9成像在所述次镜端探测器4的靶面和无穷远位置。

优选地，在本发明的一个具体的实施例中，所述光管安装调整机构7为可用于调整所述内调焦光管光轴与所述主镜11的光轴同轴的具备位置调整功能的机构。

优选地，在本发明的一个具体的实施例中，所述次镜端安装调整工装2具有两维角度调整功能，可调整所述次镜端探测器4的靶面中心法线与所述次镜1同轴，可调整所述平面反射镜3的中心法线与所述次镜1同轴。

优选地，在本发明的一个具体的实施例中，当所述测量次镜径向位移弯沉时，所述次镜端探测器4设置在所述次镜端安装调整工装2上；当所述测量次镜角度偏转时，所述平面反射镜3设置在所述次镜端安装调整工装2上。

在本发明的具体的实施例中，还公开了一种用于大口径望远镜主次镜相对弯沉的测量方法，包括步骤：

步骤1、测量前，选择径向位移测量模式或角度偏转测量模式，根据测量模式选择安装次镜端探测器4或平面反射镜3，调节好内调焦光管焦距，调整好内调焦光管及次镜端探测器4或平面反射镜3的位置姿态；

步骤2、测量时，操作本发明所公开的测量大口径望远镜主次镜相对弯沉装置，并记录数据；

步骤3、测量后，处理数据并输出测量结果。

优选地，在本发明的一个具体的实施例中，当选择径向位移测量模式，步骤1包括：将次镜端探测器4安装在次镜端安装调整工装2上，使次镜端探测器4接收光纤点光源9的像点，并调整调焦透镜组6的位置，使像点光斑最小。

优选地，在本发明的一个具体的实施例中，当选择角度偏转测量模式，步骤1包括：将平面反射镜3安装在次镜端安装调整工装2上，调整调焦透镜组6的位置，使内调焦光管发射平行光，并调整平面反射镜3的角度，使平行光原路返回进入内调焦光管经分光镜10反射成像在光管探测器8，再重复调整调焦透镜组6的位置，使像点光斑最小。

优选地，在本发明的一个具体的实施例中，当选择径向位移测量模式，步骤2包括：在光轴水平状态下记录次镜端探测器4水平及垂直两个方向的脱靶量，然后通过望远镜俯仰轴带动主次镜镜筒旋转，记录在不同俯仰角度下次镜端探测器4水平及垂直两个方向的脱靶量。

优选地，在本发明的一个具体的实施例中，当选择角度偏转测量模式，步骤2包括：在光轴水平状态下记录光管探测器8水平及垂直两个方向的脱靶量，然后通过望远镜俯仰轴带动主次镜镜筒旋转，记录在不同俯仰角度下光管探测器8水平及垂直两个方向的脱靶量。

优选地，在本发明的一个具体的实施例中，当选择径向位移测量模式，步骤3包括：直接画出在不同俯仰角度下水平及垂直两个方向位移偏离曲线。

优选地，当选择角度偏转测量模式，步骤3包括：依据光管探测器8在不同俯仰角度下水平及垂直两个方向的脱靶量，计算出在不同俯仰角度下平面反射镜3水平及垂直两个方向的角度偏转，然后画出在不同俯仰角度下水平及垂直两个方向角度偏转曲线。

在本发明的一个具体的实施例中，大口径望远镜主次镜相对弯沉的测量装置包括内调焦光管、光纤点光源9、光管探测器8、光管安装调整机构7、次镜端安装调整工装2、平面反射镜3和次镜端探测器4。内调焦光管由固定透镜组5、调焦透镜组6及分光镜10组成。光管安装调整机构7安放在主镜11中心孔后端，内调焦光管固定在光管安装调整机构7上，光纤点光源9连接在内调焦光管后端的焦点位置，光管探测器8安装在内调焦光管的侧面经分光镜10转折形成的分光焦点位置。次镜端安装调整工装2固定在次镜座上，平面反射镜3和次镜端探测器4可分时安装在次镜端安装调整工装2上。

内调焦光管中的调焦透镜组6可以沿光轴方向移动，可使光纤点光源9成像在次镜端探测器4靶面和无穷远位置。

光管安装调整机构7具有位置调整功能，可调整内调焦光管光轴与主镜11光轴同轴。

次镜端安装调整工装2具有两维角度调整功能，可调整次镜端探测器4靶面中心法线与次镜同轴，可调整平面反射镜3中心法线与次镜同轴。

测量次镜径向位移弯沉时，安装次镜端探测器4在次镜端安装调整工装2，测量次镜角度偏转时，安装平面反射镜3在次镜端安装调整工装2。

在本发明的一个具体的实施例中，在径向位移测量模式下，用于大口径望远镜主次镜相对弯沉的测量方法包括：

首先，测量前安装内调焦光管于主镜11中孔，安装次镜端探测器4于次镜端调整工装上，调整内调焦光管与主镜11光轴大致同轴，调整次镜端探测器位置，使其能够接收光纤点光源的像点，调整内调焦光管调焦透镜组的位置，使像点光斑最小。

其次，把望远镜光轴水平位置作为测量起始状态，仔细调整内调焦光管及次镜端探测器4位置，使光纤像点成像在次镜端探测器4合适位置，锁紧调整机构。记录次镜端探测器4水平及垂直两个方向的脱靶量，然后望远镜俯仰轴带动主次镜镜筒旋转，记录在不同俯仰角i下次镜端探测器4水平及垂直两个方向的脱靶量x_i，y_i。

最后，处理测量数据，直接画出在不同俯仰角度下水平及垂直两个位移偏离曲线。

在本发明的一个具体的实施例中，在角度偏转测量模式下，用于大口径望远镜主次镜相对弯沉的测量方法包括：

首先，测量前安装内调焦光管于主镜11中孔，安装平面反射镜3于次镜端调整工装上，调整内调焦光管与主镜11光轴大致同轴，调整内调焦光管调焦透镜组6的位置，使内调焦光管发射平行光，然后调整平面反射镜3的角度，使平行光原路返回进入内调焦光管并在光管探测器8上成像，再重复调整调焦透镜组6的位置，使像点光斑最小。

其次，把望远镜光轴水平位置作为测量起始状态，仔细调整内调焦光管及平面反射镜3位置，使光纤像点自准直成像在光管探测器8合适位置，锁紧调整机构。记录光管探测器8水平及垂直两个方向的脱靶量，然后望远镜俯仰轴带动主次镜镜筒旋转，记录在不同俯仰角i下次镜端探测器4水平及垂直两个方向的脱靶量m_i，n_i。

然后，处理测量数据，根据光管探测器8两个方向的脱靶量m_i，n_i计算出平面反射镜3两个方向的角度偏转u_i，w_i，

u_i＝m_i/f

w_i＝n_i/f

其中，f为内调焦光管发射平行光状态时的焦距。

最后画出在不同俯仰角度下水平及垂直两个方向角度偏转曲线。

本发明以光学的方式形成测量基准，精度不受结构刚度影响；采用CCD直接测量光轴基准光斑，测量精度高；针对不同口径的被测望远镜，只需调节内调焦光管焦点位置，测量适应性强；本发明适合大口径望远镜主次镜相对弯沉测量使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于主次镜相对弯沉的测量装置，其特征在于，包括次镜座、次镜端安装调整工装、平面反射镜、次镜端探测器、固定透镜组、调焦透镜组、光管安装调整机构、光管探测器、光纤点光源、分光镜；所述固定透镜组、调焦透镜组和分光镜组成内调焦光管，所述调焦透镜组依据不同测量模式的选择沿光轴方向移动，使所述光纤点光源成像在所述次镜端探测器的靶面或无穷远位置；所述次镜座用于安装望远镜的次镜，所述次镜端安装调整工装固定在所述次镜座上，所述次镜端安装调整工装依据不同测量模式的选择调整所述次镜端探测器的靶面的中心法线与次镜光轴同轴或调整所述平面反射镜的中心法线与所述次镜同轴；所述平面反射镜和所述次镜端探测器依据不同测量模式的选择分别安装在所述次镜端安装调整工装上；所述光管安装调整机构安放在主镜的中心孔后端，所述光管安装调整机构用于调整内调焦光管的光轴与主镜光轴同轴；所述内调焦光管固定在光管安装调整机构上；所述光纤点光源连接在所述内调焦光管后端的焦点处，所述光管探测器安装在所述内调焦光管的侧面经所述分光镜转折形成的分光焦点处。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，当测量次镜径向位移弯沉时，所述次镜端探测器设置在所述次镜端安装调整工装上；当测量次镜角度偏转时，所述平面反射镜设置在所述次镜端安装调整工装上。

3.一种用于主次镜相对弯沉的测量方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1、测量前，选择径向位移测量模式或角度偏转测量模式，根据测量模式选择安装次镜端探测器或平面反射镜，调节好内调焦光管焦距，调整好内调焦光管及次镜端探测器或平面反射镜的位置姿态；

步骤2、测量时，操作如权利要求1-2任一项所述 的装置，并依据不同测量模式的选择，记录次镜端探测器或光管探测器上像点的脱靶量数据；

步骤3、测量后，处理数据并输出测量结果。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，当选择径向位移测量模式，步骤1包括：将次镜端探测器安装在次镜端安装调整工装上，使次镜端探测器接收光纤点光源的像点，并调整调焦透镜组的位置，使像点光斑最小。

5.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，当选择角度偏转测量模式，步骤1包括：将平面反射镜安装在次镜端安装调整工装上，调整调焦透镜组的位置，使内调焦光管发射平行光，并调整平面反射镜的角度，使平行光原路返回进入内调焦光管经分光镜反射成像在光管探测器，再重复调整调焦透镜组的位置，使像点光斑最小。

6.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，当选择径向位移测量模式，步骤2包括：在光轴水平状态下记录次镜端探测器水平及垂直两个方向的脱靶量，然后通过望远镜俯仰轴带动主次镜镜筒旋转，记录在不同俯仰角度下次镜端探测器水平及垂直两个方向的脱靶量；当选择角度偏转测量模式，步骤2包括：在光轴水平状态下记录光管探测器水平及垂直两个方向的脱靶量，然后通过望远镜俯仰轴带动主次镜镜筒旋转，记录在不同俯仰角度下光管探测器水平及垂直两个方向的脱靶量。

7.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，当选择径向位移测量模式，步骤3包括：直接画出在不同俯仰角度下水平及垂直两个方向位移偏离曲线；当选择角度偏转测量模式，步骤3包括：依据在不同俯仰角度下光管探测器水平及垂直两个方向的脱靶量，计算出在不同俯仰角度下平面反射镜水平及垂直两个方向的角度偏转，然后画出在不同俯仰角度下水平及垂直两个方向角度偏转曲线。

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