反射式望远镜失调校正技术研究

发布时间：2017-11-06 02:26

  本文关键词：反射式望远镜失调校正技术研究

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【摘要】：反射式望远镜无色差,与折射元件相比,大口径反射镜的制造难度小,易于实现轻量化设计,所以现代大型天文望远镜都是反射式望远镜。望远镜的最终成像性能由设计性能、加工精度、装调精度和工作环境共同决定,光学元件良好的装调状态是望远镜获得良好成像质量的必要条件。对于现代大型望远镜,工作环境(如重力、风力和温度等因素)对光学元件的姿态和面形精度的影响也是不可忽略的,因此现代大型望远镜通常需要配备主动光学校正系统。望远镜中光学元件的装调状态是由望远镜集成阶段的装调精度和主动光学校正精度共同决定,集成阶段的装调技术和主动光学校正技术都是根据光学系统的检测结果来实现光学元件位置误差或者面形误差的校正,故可统称为失调校正技术,研究精确、稳健的望远镜失调校正技术具有重要意义。本文中所研究的失调校正技术主要基于两种校正模型,一种是数值化的校正模型—改进的灵敏度矩阵模型,另一种是解析化的模型—矢量像差模型。本文围绕反射式望远镜的失调校正技术,主要开展了以下工作:为改善灵敏度矩阵模型在元件失调量较大的情况下求解不准确这一缺陷,提出了改进的灵敏度矩阵模型。针对一个离轴无焦望远镜,分析了系统失调像差特性,建立了基于改进的灵敏度矩阵的失调校正模型,分别采用改进模型和灵敏度矩阵模型对500个随机生成的失调望远镜进行了仿真装调。仿真装调结果表明:对于次镜3种偏心量的计算均方根偏差,改进模型与灵敏度矩阵模型结果的比值在13%—24%之间,对于2种倾斜量的计算均方根偏差,改进模型与灵敏度矩阵模型结果的比值在12%—13%之间。改进模型的失调量求解准确度大幅优于灵敏度矩阵模型。最终,采用改进模型对望远镜进行实际装调,得到了轴上视场波像差rms值为0.056?(?=632.8nm),边缘视场波像差rms值均优于?????的良好装调结果。目前大多数失调校正模型都属于数值化模型,这些数值化校正模型都没有从像差理论的角度研究失调像差产生的内在机制。针对这一问题,提出了基于三级矢量像差理论的两反望远镜失调校正模型,可实现对失调量和主镜像散面形误差量的解算。利用校正模型针对一个r-c望远镜进行了仿真失调校正实验,实验结果表明,在不存在检测噪声的情况下,检测两个视场点仅需一次调整,即可完成失调校正。并且在次镜失调量较大的情况下(偏心2mm以内,倾斜0.1°以内,zernike像散系数0.2?以内),校正效果仍然良好。在存在检测噪声的情况下,增加检测视场点个数有利用增强校正模型的鲁棒性。对比了改进的灵敏度矩阵模型和矢量像差模型的校正效果。对比结果表明,对于两反望远镜,无论是否存在检测噪声,两种失调校正模型的校正能力基本相当。提出了基于五级矢量像差理论的偏视场型三反望远镜失调校正模型,推导了三反望远镜中像差场偏移矢量与视轴误差的解析式。以一个偏视场型的三反望远镜为例,建立了三级矢量像差模型,并进行了仿真装调实验,实验结果表明三级矢量像差模型对三反望远镜校正精度不足,还需要进一步考虑五级像差,建立五级矢量像差模型。利用五级矢量像差模型进行了仿真装调实验,仿真实验通过3次迭代调整将失调三反望远镜的波像差值校正到了设计值。蒙特卡罗仿真实验结果表明,失调量越大所需的迭代调整次数越多,在偏心失调量小于1mm,倾斜失调量小于0.1°的失调范围内,五级校正模型通过3次迭代调整即可完成对所有失调样本的校正。对比了改进的灵敏度矩阵模型和五级矢量像差模型的校正效果。对比结果表明,对于三反望远镜的失调校正,五级矢量像差模型的校正残差要比改进的灵敏度矩阵模型小大约一个数量级。?为解决矢量像差校正模型不能直接应用于光阑离轴望远镜的问题,提出了圆光瞳波面zernike系数的变换算法和矢量像差理论相结合的光阑离轴型望远镜的失调校正模型。推导出了前9项与前16项fringezernike系数变换矩阵,建立了新太阳望远镜的失调校正模型,并进行了仿真装调实验。实验结果表明,在检测视场点大于3个的情况下,经过3次迭代调整后,5种失调量均校正至公差限内,系统波像差降低至衍射受限水平。虽然本文中的失调校正模型是针对反射式望远镜的所提出的,但是本文模型的建立思想同样适用于其他成像光学系统。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(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】：2016
【分类号】：TH743
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本文编号：1146960