子口径斜率扫描检测技术研究

发布时间：2020-06-23 09:08

【摘要】：伴随着社会与科技的进步,空间对地遥感、天文观测等领域对光电装备提出了高分辨率、高成像质量等迫切需求。大口径光学元件是实现高分辨率成像的前提,光学系统口径越大、空间分辨率越高、集光能力越强。因此望远镜系统的口径朝着越来越大的方向发展。然而口径越大系统受重力等环境的影响越来越大。不但影响了镜面本身面形也影响着各镜片间的相对位置,从而造成了整个光学系统的像质在不同姿态下下的产生差异,因此对大口径光学系统在不同姿态下的像质评价势在必行。高精度光学检测是高精度加工制造的前提,也是评价光学系统像质的重要手段;通常光学系统检测需要完成光学元件间的位置关系测量、失调量检测以及光学系统成像质量检测与评价。传统的光学系统像质评价手段有利用干涉仪自准直的光学系统波面检测和利用大口径平行光管的光学系统调制传递函数(MTF,modulation transfer function)测量。自准直检测需要大于待检系统口径的标准镜作为参考镜,传递函数测量通常需要大于待检系统口径、焦距在待检光学系统二倍以上的平行光管。不论采用哪种测试方式,其检具都随着口径的增大导致其制造难度和制造成本大幅提高。同等口径的标准镜与平行光管同样面临着与相同于待检系统所面临环境适应能力问题,难以满足不同姿态条件下像质检测与评价要求。迫切需要新型检测技术的出现以解决新的检测任务。本文基于哈特曼检测原理,采用小口径平行光管离散扫描遍历大口径光学系统的通光孔径,进而获取所有光线在像面处形成像斑的几何位置信息;最终利用其物理模型与相应算法进行整个波面的波像差复原出全口径光学系统的波面。该方法能够实现不同姿态条件下大口径光学系统的像质检测与评价。可以大口径光学系统实验室装调集成过程以及外场试验应用中的不同姿态条件下检测任务需求。本文开展了子口径斜率扫描检测技术研究,包括以下五部分内容:1.介绍子口径斜率扫描的检测基本原理并进行理论推导。包括传统哈特曼检测反射镜的基本原理、波前重构算法。通过构建相关物理模型并进行数学推导,获得了子口径斜率扫描重构波面模型,并在理论上分析了子口径斜率扫描的优缺点。2.在理论基础上进行待检光学系统和检测光学系统集成仿真,对于口径720mm待检卡塞格林式光学系统进行了全过程仿真模拟,分析了重构波前的精度及其检测可行性。3.在实际光学加工过程中会残留频段误差,论文研究了频段误差影响,针对基于子口径斜率扫描检测技术实现包含频段误差的光学系统进行检测的方法进行了模拟仿真。并通过检测结果分析了频段误差中误差周期与本检测方法之间的关系。4.对检测中可能引入的主要误差源进行了分析,并将引入误差源进行了分类。在仿真中进行合理的误差注入,研究了各误差在单独注入时分别对于波前重构结果所产生的影响;并对产生的影响进行了理论分析。5.在误差研究基础上调整采样口径、扫描间距、口径间距比例等参数,探究采样中各参数随主要误差范围变化对于重构波面精确度造成影响的作用规律。本文对于子口径斜率扫描检测技术的研究,从检测技术的基础理论到物理模型构建、理论模拟仿真和引入制造误差、失调量等各类误差进行了系统分析与应用仿真。为子口径斜率扫描技术研究和应用奠定了坚实基础,为实现大口径光学系统不同姿态条件下的像质评价开拓了新的研究思路。
【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】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74

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