一种大视场离轴反射式光学系统的调试方法

发布时间：2020-06-17 10:45

【摘要】：离轴反射式系统虽然消除了中心遮拦,增大了视场,但是系统的装调难度较高,其装调精度是影响其光学系统最终像质的关键因素。本文以某离轴反射式光学系统的装调为研究内容,首先阐述了光学系统灵敏度矩阵数学模型,该模型能够将光学系统特性、光学系统出瞳波面像差及光学系统失调量相结合,反映元件的偏心失调量或倾斜失调量对光学系统像差的影响。本文所研究光学系统由离轴三反射式光学结构和后端校正镜组组成,其中离轴三反射式光学结构中主镜为双曲面,三镜为扁球面。镜面面形精度会对系统像质产生巨大影响。本文论述了二次曲面反射镜的加工工艺及检测方法,结合实际情况采用补偿检验法检验主镜、三镜面形。通过像差理论设计补偿器和补偿光路,并对补偿器的鬼像和公差进行分析,确定了补偿器及工程应用的可能。最终检测主镜面形精度RMS为0.0199λ(λ=632.8nm)、三镜面形精度RMS为0.0198λ(λ=632.8nm)。使用Zemax的Inverse Sensitivity对光学系统的进行公差分析,以MTF为参考得到各元件公差对光学系统像质影响的灵敏度,合理分配光学系统的公差并通过Zemax软件模拟系统元件失调量对系统像质的影响,指导光学系统的装调。根据分配公差结果使用精密检测仪器严格控制结构尺寸并安装调整工装,对校正镜组使用定心仪定心装调,逐步减少光学系统自由度。实际装调时采用自准直检测方法,以次镜为基准,主镜、三镜的位姿作为调整量。装调后系统中心视场RMS能够达到0.0357λ(λ=632.8nm),75 lp/mm时MTF=0.605,右侧中间视场与左侧边缘视场系统RMS分别为0.0558λ、0.0653λ,对应75 lp/mm时的MTF分别为0.574、0.0570,贴近衍射极限。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：

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一面离轴抛物镜，视场很小。20 世纪 70 年代第一个离轴三反消像散系统（TMA现，随后人们对其展开了深入的研究，在离轴三反消像散系统的结构基础上，形为多样的离轴反射式系统步入了光学系统的大舞台[6]。随着科技的进步，不仅设加工水平有所提高，装调技术也有了新的突破。计算机辅助装调技术（CAA）的，大大提高了光学系统的调试精度和调试效率，使光学系统的研制跨上了新的台-10]。Ira M.Egdall 领导研究团队首先提出了使用计算机指导反射式光学系统装调的，虽然实际工程效果与理论分析结果相比仍存在较大差距，但与以往装调结果相度提高了很多，这种设想与结果为后来计算机辅助装调的发展留下了宝贵经验[11990 年著名的哈勃（Hubble）空间望远镜发射成功后发现系统像质与理论预期了较大的恶化，1993 年在空间中为其安装了校正器，弥补了由于加工误差导致的，完善了成像质量，到今天其仍然是天文史上最重要的观测仪器之一[12]。1997 年，NASA 发射了土星观测飞行器。飞行器上携带的复合红外光谱仪包括覆盖远红外和中红外波段的傅里叶变换光谱仪。在光学系统的调试过程中，利用机辅助装调技术和干涉仪控制各光谱仪的波前像差，完成了系统的调试[13]。

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第一章绪论为了提高观测分辨率，目前对地观测卫星都采用了大口径反射式光学结构。美国Digital Globe 公司发射的卫星 QuickBird 和 WorldView-1 均采用离轴三反的光学结构形式，其中 QuickBird 离轴三反光学系统采用了计算机辅助装调技术且装调结果与理论设计极为贴合，其通光口径为 600 mm，系统由三块离轴非球面反射镜和一块转向平面镜组成。在实际装调过程中，首先建立计算机辅助装调模型，将干涉仪测得的全视场波像差数据代入模型，迅速的将波前 RMS 值由 0.45 λ 缩小为 0.041 λ[14]。表 1.是目前部分高分辨率空间相机主要性能指标。最新研发的太空望远镜——詹姆斯韦伯望远镜（JWST），采用同轴三反射式光学设计，在三镜与像面之间插入转向平面镜折叠光轴，缩短光路。其主镜口径 6.5 m，面积为哈勃望远镜主镜五倍以上，重量约为哈勃望远镜的一半，预计 2019 年发射[15]主镜主镜折转镜

【参考文献】