1 引 言
极紫外太阳望远镜(EUT)具有0.8″的角分辨率,而卫星平台所能提供的指向稳定性无法满足EUT观测要求,为此,需要在EUT上附加自己的图像稳定装置,弥补由于卫星指向变化所造成的图像模糊[1]。EUT采用指向望远镜提供指向偏差信号,将指向偏差信号处理后,驱动次镜转动机构,最终达到EUT的像移补偿的需要,实现0.8″高分辨率的要求。在设计上EUT要求对次镜进行开环控制,角度转动范围±30″。为了实现对次镜控制的精度,引进了德国公司的压电陶瓷精密转动平台,在应用之前对其转角精度进行了测量。
目前,常用的光学测角方法主要有光电编码法、光学内反射法、圆光栅法、激光干涉法以及环形激光法等[2]。光电轴角编码器采用光电技术将轴角信息转换成数字代码,与计算机和显示装置连接后可实现对角度的动态测量和实时控制,其优点是结构紧凑,分辨率和测角精度高,响应频率高,但对光栅制作水平和电路集成工艺要求很高[325]。光学内反射法是利用全反射条件下入射光变化时反射率的变化关系,通过反射率的变化来测量入射角的变化。用该方法制成的测角仪体积可以做得很小,而且结构简单,成本低,但其测量范围也很小,因此只能用于小角度测量[6,7]。圆光栅测角测量原理是将圆光栅与转台同轴安装,二者同时转动,测得光栅转过的栅距数就是测得转角。它的优点是静态测量准确度高、稳定可靠,缺点是对光栅与转台的对心准确度要求较高,高准确度光栅的制作加工困难,动态测量时分辨力很难保证[8210]。激光干涉测角大多是以迈克耳逊干涉仪为基本原理,将角度的变化转换为长度变化来进行测量,主要用来测量平面角,灵敏度较高[11213]。环形激光法用于动态角度测量是目前转速测量准确度最高的方法,该技术测角的最大优点是容易实现自校,缺点是只能实现动态测量,加工工艺难以保证,成本高[14]。
本文检测的压电陶瓷转动平台的转角精度为1μrad,而上述方法或者结构复杂、测量条件要求太高难于实现,或者精度无法满足要求。因此本文利用ZYGO数字干涉仪测量压电陶瓷转动平台驱动待测平面镜偏转前后镜子面形的PV值,二者的差值除以待测镜的直径,结果近似等于压电陶瓷转动平台转动的角度。
2 干涉仪小角度测量原理
一般小角度测量的原理如图1所示,其测量方程可表示为:
这样在L或l确定的情况下,通过测量h即可以得到角度α。
本文即利用上述原理。压电陶瓷转动平台S330有两个相互垂直的工作轴[15],使两个轴分别对应待测镜子的水平和竖直方向,在测量时保证水平轴不动,只动竖直轴。首先给定一个初位置,利用ZYGO干涉仪测量镜子面形的PV值1,然后用压电陶瓷转动平台驱动镜子偏转,测出PV值2,求出两次测量值之差ΔPV。ΔPV是由压电陶瓷转动平台竖直轴驱动镜子倾斜引起的,代表着两次测量波面在竖直方向倾斜量的差值。
如图2所示,AB面代表初位置1,CD面代表偏转后的位置2,DE是二者竖直方向的差值,即DE=PV·λ。因此,当θ足够小时可得公式θ≈sinθ≈ΔPV·λ/D,其中θ是镜子偏转的角度,D=44.5 mm是镜子的直径,λ=632.8 nm为干涉仪的工作波长。
3 测量结果与分析
采用上述高精度转角测量方法,对EUT次镜转动平台转角精度进行了测量。其中图3为测量装置示意图,图4~6是一次测量实例。我们测量了压电陶瓷转动平台移动不同角度时的精确度和其在工作范围0~150μrad(即0~30″)的线性并绘制了线性图。
测量是在温度18℃,湿度40%环境下完成的。其中表1的数据代表压电陶瓷转动平台移动不同角度时的转角精度。测量时压电陶瓷转动平台每次移动后先归零位然后进行测量,每个角度测量五次。从表1可以看出,压电陶瓷转动平台在小角度移动时有很高的精度。随着移动距离的加大,误差在逐渐增大,压电陶瓷转动平台的转角精度在降低,但其相对误差很小。
表2的数据是压电陶瓷转动平台连续移动0~150μrad的测量结果,测量中没有归零的过程,压电陶瓷连续移动。从表2可以看出,其初始值有较大的误差,存在1μrad左右的系统误差。另外,由于压电陶瓷连续移动使误差累积,导致测量结果偏大。图7是压电陶瓷转动平台移动0~150μrad的线性图,从图中可以看出,压电陶瓷在0~150μrad工作时其线性很好,满足望远镜次镜的要求.
4 误差分析
测量中产生的误差主要包含:测量平面镜直径时产生的测量误差;ZYGO干涉仪测量精度影响带来的误差;测量方法中近似产生的误差;平面镜面形精度影响带来的误差。用Δ1表示测量镜子直径产生的测量误差,Δ2表示干涉仪精度造成的误差,Δ3表示测量方法中近似产生的误差,用Δ4表示平面镜面形精度影响带来的误差,则合成后的总误差。从表1可以发现测量的总误差和压电陶瓷转动平台移动的角度大小有关,移动距离越大,产生的误差就越大,但其相对误差小于1%。
5 结 论
利用ZYGO数字干涉仪实现了对亚角秒转角的测量,检验了用于EUT次镜的高精度转动平台的转角精度以及线性,测量结果表明这一平台的转角精度达到了1μrad(0.2″),相对误差<1%,完全满足极紫外太阳望远镜次镜的要求。由于该方法简便易行、测量精度高,只需配备数字干涉仪和标准平面镜,将标准平面镜安装在被测转角的物体上,用数字干涉仪测量安装在被测物上的原始状态的标准平面镜的面形精度值,再测待测物体转动后标准平面镜的面形精度值,经过计算就可知道被测物的微小转角,因此对于小角度的高精度测量有重要的实际应用价值。
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作者简介:高 亮(1980-),男,汉族,吉林长春人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生,主要研究方向为短波段光学技术。E2mail:gao_lianger@126.com
