【摘要】：矢量像差理論完備的描述了失對稱光學系統(tǒng)高至五階的波像差特性,具有非常高的工程應用價值。一方面,矢量像差理論可以用來指導偏軸光學系統(tǒng)以及自由曲面光學系統(tǒng)的設計工作,促進非共軸光學系統(tǒng)設計的進步;另一方面,矢量像差理論可以用來定量的分析共軸光學系統(tǒng)在失調(diào)狀態(tài)下的波像差特性,從而指導光學系統(tǒng)的失調(diào)校正。矢量像差理論對非對稱光學系統(tǒng)的像差理論具有重要的貢獻。然而,矢量像差理論關于失對稱系統(tǒng)的像差特性是在數(shù)學推導的基礎上結(jié)合軟件仿真得到的,關于矢量像差理論的實驗驗證研究一直處于空白狀態(tài)。本文正是針對這一暫時空白的研究領域,利用一個Ritchey-Chrétien結(jié)構(gòu)形式的望遠系統(tǒng),開展矢量像差理論在失調(diào)反射望遠系統(tǒng)中的實驗驗證研究。本文主要包含以下內(nèi)容:1.基于兩反望遠系統(tǒng)的一階光學特性及三階波像差理論,利用矢量像差理論,結(jié)合實驗研究的主體光學系統(tǒng)——Ritchey-Chrétien結(jié)構(gòu)形式的Hilbert望遠鏡,推導了失調(diào)兩反望遠系統(tǒng)的像差場偏移矢量解析表達式以及三階彗差與三階像散的矢量像差場特性。與此同時,利用真實光線追跡方法分析了Hilbert望遠鏡的三階像差的視場相關性,為實驗的仿真分析作基礎。針對兩反望遠系統(tǒng)的彗差自由點特性,推導了基于一階特性的計算方法,確定了Hilbert望遠鏡的彗差自由點位置。2.基于實驗對于失調(diào)兩反望遠系統(tǒng)像差場研究的需求,利用一個精密位移平臺實現(xiàn)對Hilbert望遠鏡次鏡組件的支撐,設計了系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)并對其進行了有限元分析,分析表明結(jié)構(gòu)可靠,滿足實驗要求。針對三階彗差的矢量像差特性,設計并搭建了含有視場發(fā)生器及反光鏡組件的實驗系統(tǒng)。在不移動Hilbert望遠鏡以及干涉儀的前提下,實現(xiàn)對多個采樣視場點的干涉測量。借助真實光線追跡與Fringe Zernike多項式擬合對實驗的預期結(jié)果進行了仿真分析,得到僅含有三階彗差的干涉條紋圖樣。仿真分析得到與矢量像差理論一致的結(jié)果。根據(jù)實驗方案,對數(shù)據(jù)進行了采集,并對仿真結(jié)果以及實驗結(jié)果分別作了誤差分析。在誤差允許的范圍內(nèi),實驗結(jié)果與仿真分析結(jié)論相一致,完成了失調(diào)兩反望遠系統(tǒng)中三階彗差的矢量像差理論實驗驗證研究。3.對Hilbert望遠鏡的三階像散矢量像差特性進行了理論分析�；诶碚摰闹笇�,對系統(tǒng)的主、次鏡分別作了面形檢測。結(jié)合檢測的結(jié)果,對三階像散的節(jié)點特性作了仿真分析,結(jié)果表明現(xiàn)有的實驗系統(tǒng)不足以完成對三階像散的實驗驗證研究,并對實驗方法的改進提出了建設性的意見。本文通過實驗研究的方法對失調(diào)兩反望遠系統(tǒng)的矢量像差節(jié)點特性進行了析與論證,對于矢量像差理論的發(fā)展與完善具有卓越的意義。
【圖文】：

圖 1.1 Bok 望遠鏡所拍星圖Figure 1.1 Through-focus star plate taken by Bok從圖1.1側(cè)面放大的星圖可以看出，多數(shù)視場點的恒星像存在非對稱的點呈現(xiàn)為橢圓形，然而，存在兩個無像散的視場點，其像點為對稱的現(xiàn)象的出現(xiàn)引發(fā)了亞利桑那大學的 Roland V. Shack 教授對像散節(jié)點（零的點）的思考，繼而發(fā)展出了矢量像差理論。1977 年，經(jīng)過近 6 個月思考，Shack 將其導師 Hopkins 的標量波像差理論擴展成矢量形式，并量像差理論。矢量像差理論指出，當由旋轉(zhuǎn)對稱的光學元件組成的系統(tǒng)后，沒有新的像差產(chǎn)生，發(fā)生改變的只有像差與視場的相關性，其孔徑然保持不變，這一結(jié)論的產(chǎn)生為矢量像差的發(fā)展奠定了重要的理論基時，Shack 的學生 R.A.Buchroeder 在其博士論文里闡述了像差場偏移矢

圖 1.2 Zucchi 設計的單反射式望遠系統(tǒng)Figure 1.2 Zucchi designed telescope1630 年，法國數(shù)學家 Descartes 發(fā)現(xiàn)了解析幾何。他證明了除拋物面以在其他的非球面可以實現(xiàn)對軸上視場點的完善成像，并且表明圓錐曲cartes 卵形曲線可以在兩個共軛點之間成完善像。這個發(fā)現(xiàn)為人們掌握形對軸上視場在有限遠與無限遠的物距下成完善像的條件奠定了理論基不同的反射鏡面形可以實現(xiàn)消除球差，從而實現(xiàn)軸上視場成完善像的目同時期的光學家 Mersenne 在 Descartes 的啟發(fā)下，提出了兩反射式的望他提出了兩種結(jié)構(gòu)形式，分別為次鏡是凸面的卡塞格林形式和次鏡為凹高利形式，如圖 1.3 所示。Mersenne 的設計在當時極具創(chuàng)新，，不僅利用別校正球差，并且提出了校正系統(tǒng)三階彗差的概念，即齊明望遠系統(tǒng)的
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O439

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 史浩東;姜會林;張新;王靈杰;伍雁雄;;基于矢量像差的自由曲面光學系統(tǒng)像差特性研究[J];光學學報;2015年12期

2 龐志海;樊學武;陳欽芳;馬臻;鄒剛毅;;大口徑反射鏡面形誤差對光學系統(tǒng)像差特性的影響[J];光學學報;2013年04期

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1 鞠國浩;離軸反射式天文望遠鏡主動光學波前控制方法研究[D];中國科學院長春光學精密機械與物理研究所;2017年

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3 龐志海;離軸反射光學系統(tǒng)計算機輔助裝調(diào)技術研究[D];中國科學院研究生院（西安光學精密機械研究所）;2013年

4 王健;基于矢量像差理論的離軸反射式寬波段紅外目標模擬器研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2012年

5 任百川;偏軸光學系統(tǒng)矢量像差理論研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2012年

6 史廣維;基于矢量波像差理論的反射望遠系統(tǒng)裝調(diào)研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2011年

7 張虎;矢量像差理論及其在離軸頭盔顯示系統(tǒng)設計中的應用[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2010年

本文編號：2615762