失调反射系统的矢量像差理论实验研究

发布时间：2020-04-06 00:50

【摘要】：矢量像差理论完备的描述了失对称光学系统高至五阶的波像差特性,具有非常高的工程应用价值。一方面,矢量像差理论可以用来指导偏轴光学系统以及自由曲面光学系统的设计工作,促进非共轴光学系统设计的进步;另一方面,矢量像差理论可以用来定量的分析共轴光学系统在失调状态下的波像差特性,从而指导光学系统的失调校正。矢量像差理论对非对称光学系统的像差理论具有重要的贡献。然而,矢量像差理论关于失对称系统的像差特性是在数学推导的基础上结合软件仿真得到的,关于矢量像差理论的实验验证研究一直处于空白状态。本文正是针对这一暂时空白的研究领域,利用一个Ritchey-Chrétien结构形式的望远系统,开展矢量像差理论在失调反射望远系统中的实验验证研究。本文主要包含以下内容:1.基于两反望远系统的一阶光学特性及三阶波像差理论,利用矢量像差理论,结合实验研究的主体光学系统——Ritchey-Chrétien结构形式的Hilbert望远镜,推导了失调两反望远系统的像差场偏移矢量解析表达式以及三阶彗差与三阶像散的矢量像差场特性。与此同时,利用真实光线追迹方法分析了Hilbert望远镜的三阶像差的视场相关性,为实验的仿真分析作基础。针对两反望远系统的彗差自由点特性,推导了基于一阶特性的计算方法,确定了Hilbert望远镜的彗差自由点位置。2.基于实验对于失调两反望远系统像差场研究的需求,利用一个精密位移平台实现对Hilbert望远镜次镜组件的支撑,设计了系统的机械结构并对其进行了有限元分析,分析表明结构可靠,满足实验要求。针对三阶彗差的矢量像差特性,设计并搭建了含有视场发生器及反光镜组件的实验系统。在不移动Hilbert望远镜以及干涉仪的前提下,实现对多个采样视场点的干涉测量。借助真实光线追迹与Fringe Zernike多项式拟合对实验的预期结果进行了仿真分析,得到仅含有三阶彗差的干涉条纹图样。仿真分析得到与矢量像差理论一致的结果。根据实验方案,对数据进行了采集,并对仿真结果以及实验结果分别作了误差分析。在误差允许的范围内,实验结果与仿真分析结论相一致,完成了失调两反望远系统中三阶彗差的矢量像差理论实验验证研究。3.对Hilbert望远镜的三阶像散矢量像差特性进行了理论分析。基于理论的指导,对系统的主、次镜分别作了面形检测。结合检测的结果,对三阶像散的节点特性作了仿真分析,结果表明现有的实验系统不足以完成对三阶像散的实验验证研究,并对实验方法的改进提出了建设性的意见。本文通过实验研究的方法对失调两反望远系统的矢量像差节点特性进行了析与论证,对于矢量像差理论的发展与完善具有卓越的意义。
【图文】：

望远镜,像差,矢量,视场

图 1.1 Bok 望远镜所拍星图Figure 1.1 Through-focus star plate taken by Bok从图1.1侧面放大的星图可以看出，多数视场点的恒星像存在非对称的点呈现为椭圆形，然而，存在两个无像散的视场点，其像点为对称的现象的出现引发了亚利桑那大学的 Roland V. Shack 教授对像散节点（零的点）的思考，继而发展出了矢量像差理论。1977 年，经过近 6 个月思考，Shack 将其导师 Hopkins 的标量波像差理论扩展成矢量形式，并量像差理论。矢量像差理论指出，当由旋转对称的光学元件组成的系统后，没有新的像差产生，发生改变的只有像差与视场的相关性，其孔径然保持不变，这一结论的产生为矢量像差的发展奠定了重要的理论基时，Shack 的学生 R.A.Buchroeder 在其博士论文里阐述了像差场偏移矢

单反射,望远系统

图 1.2 Zucchi 设计的单反射式望远系统Figure 1.2 Zucchi designed telescope1630 年，法国数学家 Descartes 发现了解析几何。他证明了除抛物面以在其他的非球面可以实现对轴上视场点的完善成像，并且表明圆锥曲cartes 卵形曲线可以在两个共轭点之间成完善像。这个发现为人们掌握形对轴上视场在有限远与无限远的物距下成完善像的条件奠定了理论基不同的反射镜面形可以实现消除球差，从而实现轴上视场成完善像的目同时期的光学家 Mersenne 在 Descartes 的启发下，提出了两反射式的望他提出了两种结构形式，分别为次镜是凸面的卡塞格林形式和次镜为凹高利形式，如图 1.3 所示。Mersenne 的设计在当时极具创新，，不仅利用别校正球差，并且提出了校正系统三阶彗差的概念，即齐明望远系统的
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O439

【参考文献】