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基于矢量像差理论的离轴反射系统失调校正研究

张晓彬

  近年来,大口径的离轴反射系统以其分辨率高、视场大、无中心遮拦等优点,成为了空间天文望远镜的主要选择。对于这种大型的空间光学系统,主动光学是其中一项关键技术。当光学系统的成像质量退化时,主动光学可以通过探测系统的波前,解算出系统的校正量,据此对系统实施校正,从而保证系统的成像质量。其中,校正量解算是主动光学技术中的关键部分。主动光学要求以最小的工程代价保证系统的成像质量,为此需要制定合理有效的校正策略,有针对性地进行校正量解算。其主要包括三步:解算镜面面形误差和位置误差、选择校正类型(基于系统还原思想/基于系统补偿思想)、确定系统所需的校正量。然而,工程上常用的校正量解算算法大都是数值的。数值算法模型简单,应用广泛。但是,数值算法大都基于线性近似理论,忽略了高阶项,对于某些工况(失调量较大时),该方法解算精度有限。同时,基于线性近似的数值算法没有考虑光学元件间的耦合效应,校正量解算时,可能存在像差补偿,解算出的镜面面形误差和位置误差不准确。因此,研究一种解析的校正量解算算法是十分必要的。本文在同轴反射系统矢量像差理论的基础上,依次进行了离轴反射系统的像差理论研究、基于系统还原思想的离轴反射系统校正量解算研究、基于系统补偿思想的离轴反射系统校正量解算研究、含有自由曲面的偏轴的离轴反射系统的校正量解算研究。具体来讲,本文研究内容如下:1、根据同轴反射系统的矢量像差理论,改进了侧向失调误差的解算算法,提出了一种轴向失调误差的解算算法,总结了面形误差的解算算法。针对一口径5m的同轴三反系统,验证了基于矢量像差理论的侧向失调误差、轴向失调误差和面形误差的解算精度。2、研究了离轴反射系统的像差理论。在同轴反射系统矢量像差理论的基础上,针对离轴反射系统中光阑离轴的特性,通过光瞳变换,推导了离轴反射系统的矢量像差表达式。将该表达式中的各项(三阶像差项和五阶像差项)分解成Zernike多项式形式,可以看出,离轴反射系统中的高阶像差项不但对高阶Zernike项有贡献,还对低阶Zernike项有贡献。3、提出了一种基于系统还原思想的离轴反射系统校正量解算算法。系统还原时,需要解算系统中所有可能的面形误差和位置误差。对于离轴反射系统,考虑到高阶像差项对低阶Zernike项的影响,建立了基于三阶矢量像差理论和基于五阶矢量像差理论的校正量解算模型。针对一焦距6m的离轴三反系统,进行了两种校正量解算模型的仿真分析。对于基于五阶矢量像差理论的校正量解算模型,与灵敏度矩阵模型进行了仿真对比,并进行了实验验证。结果表明,基于五阶矢量像差理论的校正量解算模型解析性好,计算精度高。4、提出了一种基于系统补偿思想的离轴反射系统校正量解算算法。系统补偿时,需要确定系统的补偿元件与被补偿元件,解算补偿元件的调整量(离轴反射系统中,次镜通常为补偿元件)。根据离轴反射系统的矢量像差理论,建立了次镜补偿三镜失调和次镜补偿主镜面形误差的校正量解算模型。针对上述同一离轴三反系统,对两种校正量解算模型进行了仿真分析,并对次镜补偿三镜失调的校正量解算模型进行了实验验证。结果表明,基于矢量像差理论的系统补偿目标明确,补偿效果较好。5、提出了一种基于矢量像差理论的针对含有自由曲面的偏轴的离轴反射系统的校正量解算算法。针对含有自由曲面的偏轴的离轴反射系统,结合灵敏度矩阵算法的思路,建立了这类系统的校正量解算模型。针对一个偏轴的含有自由曲面的离轴三反系统,进行了该校正量解算模型的仿真分析,验证了该模型的准确性。……   
[关键词]:离轴反射系统;校正量;矢量像差理论;系统还原;系统补偿
[文献类型]:博士论文
[文献出处]: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)2018年