大口径分块望远镜主镜的误差分析与共相探测方法研究

发布时间：2020-07-25 18:45

【摘要】：大口径望远镜在天文研究中具有重要意义。为了满足天文研究的需要,要求天文望远镜具有更强的探测能力和更高的分辨力,即可更清晰的看见更远和更弱的目标,因此要求望远镜的有效观测口径越来越大。由于传统的单块望远镜主镜在口径增大时受到镜坯制造,加工、装调、检测以及成本等方面的限制。采用分块拼接主镜技术是增大望远镜有效口径的一种技术途径,也是目前国际上建设甚大型望远镜的趋势。拼接主镜方法是用多个可单独控制调整的小口径反射镜拼接成为所需大口径望远镜主镜。拼接望远镜由于主镜的拼接误差带来共焦和共相等一系列问题,跟单主镜望远镜相比较,在望远镜系统的光学性能和分析方法方面有很大不同。需要对其进行深入详细的分析计算,研究拼接误差与分块望远镜近场特性和远场特性的关系,并确定其拼接误差容限等,为拼接望远镜的设计提供依据。本论文针对10m口径拼接望远镜光学系统开展了如下工作:研究了拼接主镜中六边形分块镜非球面度的计算、拼接望远镜光学系统的光学特性以及主镜拼接误差对望远镜光学系统的影响、拼接主镜共相位误差的探测等。主要研究内容分为以下几个部分。1.建立了拼接主镜的仿真模型,提出了一种新的计算非球面度的方法。这种方法采用了特征点拟合,解决了任意形状任意光学对称轴的离轴非球面镜的非球面度计算问题。并利用拉格朗日条件极值法,避免了在非球面度计算中由于采用最小二乘法时存在的非线性求解问题。此计算方法可靠,精度高可达到。2.从衍射光学理论着手,推导出分块拼接望远镜的解析理论公式,建立了任意规模拼接望远镜的物理模型。分析了主焦面上的远场光学特性,计算了分块镜平移误差(Piston error)、倾斜误差(Tip-tilt error)以及分块镜间隔对光学系统性能的影响。得到分块镜平移误差和倾斜误差对望远镜远场的综合作用为各自误差量作用的乘积。3.利用几何光学理论,建立了拼接望远镜光学系统的光线追迹模型。利用该模型可计算拼接望远镜光学系统的波相差、点扩散函数、光学传递函数、斯特列尔比等。此模型的建立,解决了衍射光学理论不能模拟仿主镜拼接误差对望远镜光学系统性能影响的不足。利用模型对单主镜望远镜系统进行了与Zemax软件的仿真验证,精度可靠,并弥补了Zemax软件在分析拼接望远镜这样复杂结构时对许多光学性不能计算的问题,如望远镜全口径的波相差,点扩散函数,传递函数等的分析计算。4.进行了10m级拼接望远镜的数值仿真实验研究。利用建立的拼接望远镜衍射理论模型和光线追迹模型,对该口径的分块拼接望远镜的远场特性,以及分块镜的拼接误差进行了全面而详细的分析。并得到为了保证望远镜的斯特列尔比(SR90%),拼接主镜的平移误差最好取?/40~/30?P????,倾斜误差应该在望远镜1倍分辨率(?/D)以内。对拼接望远镜的点扩散函数等进行了部分实验验证,实验结果和理论计算吻合很好。5.提出一种自标定测量分块镜共相位误差的方法。从衍射光学理论出发,推导出任意位置矩形光瞳成像在光轴上的特点,可作为参考中心。并得到两相邻分块镜干涉峰值与相位误差之间的关系。通过测量干涉峰值位置与标定中心的距离可简单、快速有效地对分块镜共相位的平移误差和倾斜误差进行高精度测量。并用数值仿真对理论公式进行了实验验证,其结果一致。本论文对大口径拼接主镜型望远镜系统进行了理论分析和仿真实验研究。为我国大口径望远镜的建设提供了理论依据及数据支持,对拼接主镜以及望远镜系统的设计、加工、检测、装调等有指导意义。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH751

【参考文献】