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大口径衍射望远镜光学系统设计理论研究

发布时间:2020-06-12 14:09
【摘要】:薄膜衍射成像技术是未来构建大口径太空光学望远镜的关键技术,薄膜衍射器件解决了传统望远镜主镜的大重量和高面形精度问题,为实现大口径甚至超大口径望远镜的构建提供了新的技术途径。本论文主要研究了目前大口径衍射望远镜光学系统中存在的若干关键问题,包括大特征尺寸菲涅尔校正板的设计、可见光范围内的光子筛望远镜成像系统设计以及大口径衍射望远镜的中心遮拦分析和频谱改进设计,具体研究工作如下:1.提出了两种大特征尺寸校正板设计方案,分别为混合调制透镜和谐衍射透镜,目的是通过增大校正板的特征尺寸,降低校正板的加工难度。仿真实验表明,混合调制透镜和谐衍射透镜均能作为校正板消除宽光谱衍射成像系统中衍射主镜引入的色差,但两个校正板有各自不同的光学和加工特性。混合调制透镜不仅可以增加校正板的特征结构宽度,还可以减小其微结构的坡度,而谐衍射透镜只能增加校正板的特征结构宽度,不改变其微结构的坡度,因此,混合调制透镜比谐衍射透镜更容易加工;然而,混合调制透镜的易加工性是以牺牲衍射效率为代价,其衍射成像系统的效率仅约为10%,相比之下,谐衍射透镜可以较好的保证衍射成像系统的衍射效率(95%)。2.提出了两种RGB三通道光子筛望远镜设计方案,分别为基于径向分区光子筛的RGB三通道望远镜设计方案和基于随机分区光子筛的RGB三通道望远镜设计方案,目的是将光子筛望远镜的成像频谱范围从几十个nm覆盖至可见光范围。仿真结果表明,随机分区三通道设计可以更好的消除R、G、B三个通道的色差,并且具有更好的聚焦特性,但随机分区设计的三个中心波长受到谐衍射透镜谐波长的制约,以至于三个通道的频段不能任意选择;相比之下,径向分区三通道设计的三段频谱相互独立,具有更高的设计自由度,但该设计的外通道像点具有较高的旁瓣,且不同通道像点的分辨率不同,因此径向分区三通道设计的成像质量较低。3.提出了一种基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构,用以支撑光子筛薄膜,并加工了用于支持100mm口径光子筛的薄膜支撑机构。分析表明,该支撑机构具有质量轻、结构简单、便于折叠和展开和自稳定特性等优点,非常有利于实现大口径衍射薄膜在太空中的高精度支撑和展开。4.分析了大口衍射望远镜中的中心遮拦问题,并根据分析结果提出了一种频谱平移设计方法,有效的减小了大口径望远镜中的频谱遮挡。另外,设计了静止轨道一米分辨率的衍射望远镜光学系统,用以评估我们的方法在避免频谱遮挡上的有效性。仿真实验证明,我们的设计不仅避免了对设计频谱的遮挡,并且改善了望远镜系统的MTF曲线,提高了望远镜的成像质量。
【图文】:

望远镜,光路,衍射元件,主镜


衍射元件带来的色差,发挥薄膜衍射元件在大口径太空的望远镜构建上的优势,逡逑R.邋Hyde在1999年提出的一种基于Schupmarm系统的衍射望远镜光路设计方案逡逑(如图1.2),,成功的解决了衍射望远镜中的色差问题。该望远镜系统通过在特逡逑定的位置引入另外一个与衍射主镜具有相反光焦度和相同色散能力的衍射元件逡逑(菲涅尔校正板)来补偿衍射主镜的色差,根据该望远镜系统的设计理论,当菲逡逑涅尔校正板和衍射主镜的设计参数满足消色差条件时,该方案可以完全消除衍射逡逑主镜引入的色差。随着衍射元件色散问题的解决,国内外陆续开始了关于大口径逡逑衍射望远镜的研宄,实验验证了衍射元件在宽光谱成像中的可行性。目前,衍射逡逑成像技术已成为未来光学遥感卫星成像技术发展的趋势,也是未来光学卫星遥感逡逑成像必不可少的技术。逡逑2逡逑

大口径衍射望远镜光学系统设计理论研究


图1.3邋LLNL相关研宄成果逡逑
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TH743

【参考文献】

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本文编号:2709644

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