基于计算全息的拼接式大口径光学系统检测与共相技术研究

发布时间：2019-02-24 08:53

【摘要】：随着地面和空间光学系统对探测能力要求不断提高,光学系统尺寸与重量急剧增大,加大了镜面加工难度,提高了制造成本。且空间光学系统还受火箭整流罩尺寸与运载能力的限制。多子镜拼接的结构形式解决了大口径光学系统的制造和发射难题,是实现大口径光学系统的有效手段和发展趋势。对拼接式大口径光学系统而言,高精度面形检测和大量程高精度共相误差探测是其关键与难点:高精度面形检测。大口径光学系统对镜面面形要求严格,常要求整块反射镜和各子区域面形精度均优于λ/40~λ/50 RMS,因此,必须对镜面面形进行高精度检测。同时,由于主镜由多子镜拼接而成,拼接式大口径光学系统涉及多个大离轴量非球面检测,增加了实现高精度面形检测的难度。高精度共相检测。拼接式光学系统必须确保各子镜严格共相。若各子镜之间存在相互错位,将破坏整个镜面面形的连续性,引入共相误差,严重影响成像质量。其中,Piston共相误差,由于存在2π相位模糊性,其检测或组合检测技术必须兼具大量程与高精度;TipTilt共相误差容限极低,亦必须进行高精度检测。鉴于8-10 m口径光学望远镜为我国下一步发展方向,对拼接式大口径光学系统关键技术——面形检测与共相误差探测开展研究具有重要理论及现实意义。考虑到计算全息(CGH)检测离轴非球面的固有优势,本文以计算全息为手段,开展了基于计算全息的拼接式大口径光学系统面形检测和共相技术研究,不仅为工程实践提供指导,而且扩展了计算全息应用范围,提高了设计效率。论文主要完成工作如下:1.通过比较拼接式、稀疏孔径式和衍射薄膜式三种超大口径光学系统的实现形式和成像特性,明确了面形检测与共相误差探测是实现大口径光学系统的关键技术问题。并着眼于拼接式光学系统,提出了基于计算全息的面形检测与子镜共相技术的探索问题。2.对国际上现有的高精度面形检测和共相技术进行了深入调研和比较。分析了拼接式大口径光学系统面形检测的特异性,明确了计算全息用于拼接式光学系统面形检测的固有优势;分析了各共相技术的实现原理、检测对象、量程精度及主要限制因素,为计算全息式共相技术研究指明了几种探索方向。3.开展了拼接式大口径光学系统子镜面形误差和共相误差影响分析。构建了拼接式光学模型,推导了子镜六自由度共相误差所对应波像差的解析式,分析了共相误差的本质及各自由度误差间的联系;设计了4 m口径的拼接式同轴三反系统,并以之为例进行子镜误差影响仿真,与模型推导结果符合良好。4.提出了基于参数模型的CGH优化设计方法。结合典型光学系统非球面二次曲面常数K和口径F/#分布范围,给出了适用于弱非球面(-0.5≤K0且F/#≥2)的傍轴参数模型,并改进为适用于中等非球面(-4≤K0且F/#≥1.5)的非傍轴参数模型;分析了各级次衍射杂光分布规律,从理论上明确了CGH杂光的特征级次为(1,0)和(2,0),并给出了最优设计方法及流程,实现去除衍射杂光、降低条纹密度、限制投影畸变和约束器件尺寸四个层面的优化。5.提出了基于Matlab-Zemax交互的CGH优化设计方法,并编写了程序,摆脱了Zemax优化内核的限制,克服了大去除量的强非球面/自由曲面补偿检测CGH难以通过Zemax直接优化实现的难题,极大提高了CGH设计效率,且可实现对CGH的倾斜角度、放置位置、载频参数等全方位寻优。6.完成了基于CGH的拼接式大口径光学系统面形检测设计。以4 m口径的拼接式同轴三反系统为对象,完成了主三镜CGH补偿检测设计,次镜无像差点结合子孔径拼接法与CGH折衍混合补偿检测设计;并与Offner补偿器相对比,明确了CGH用于拼接镜检测时可充分利用干涉仪通光口径、易精确对准且设计残差小的优势。7.开展了CGH用于共相检测的研究,进行了基于双波长CGH的面形与共相一体化检测、基于CGH型色散条纹传感器(CGH-DFS)的粗共相技术探索,提出了CGH型夏克-哈特曼传感器(CGH-SHAPS)共相技术。CGH-SHAPS利用单片CGH同时取代传统SHAPS的光瞳掩模和成像透镜阵列,简化结构,降低光瞳精确对准难度。仿真结果表明,CGH-SHAPS可高精度检测共相误差,满足拼接式大口径光学系统共相检测需求。
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【学位授予单位】：中国科学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】：2017
【分类号】：TH74

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