本文關(guān)鍵詞：反射式望遠(yuǎn)鏡失調(diào)校正技術(shù)研究

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【摘要】：反射式望遠(yuǎn)鏡無色差,與折射元件相比,大口徑反射鏡的制造難度小,易于實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì),所以現(xiàn)代大型天文望遠(yuǎn)鏡都是反射式望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡的最終成像性能由設(shè)計(jì)性能、加工精度、裝調(diào)精度和工作環(huán)境共同決定,光學(xué)元件良好的裝調(diào)狀態(tài)是望遠(yuǎn)鏡獲得良好成像質(zhì)量的必要條件。對(duì)于現(xiàn)代大型望遠(yuǎn)鏡,工作環(huán)境(如重力、風(fēng)力和溫度等因素)對(duì)光學(xué)元件的姿態(tài)和面形精度的影響也是不可忽略的,因此現(xiàn)代大型望遠(yuǎn)鏡通常需要配備主動(dòng)光學(xué)校正系統(tǒng)。望遠(yuǎn)鏡中光學(xué)元件的裝調(diào)狀態(tài)是由望遠(yuǎn)鏡集成階段的裝調(diào)精度和主動(dòng)光學(xué)校正精度共同決定,集成階段的裝調(diào)技術(shù)和主動(dòng)光學(xué)校正技術(shù)都是根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果來實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件位置誤差或者面形誤差的校正,故可統(tǒng)稱為失調(diào)校正技術(shù),研究精確、穩(wěn)健的望遠(yuǎn)鏡失調(diào)校正技術(shù)具有重要意義。本文中所研究的失調(diào)校正技術(shù)主要基于兩種校正模型,一種是數(shù)值化的校正模型—改進(jìn)的靈敏度矩陣模型,另一種是解析化的模型—矢量像差模型。本文圍繞反射式望遠(yuǎn)鏡的失調(diào)校正技術(shù),主要開展了以下工作:為改善靈敏度矩陣模型在元件失調(diào)量較大的情況下求解不準(zhǔn)確這一缺陷,提出了改進(jìn)的靈敏度矩陣模型。針對(duì)一個(gè)離軸無焦望遠(yuǎn)鏡,分析了系統(tǒng)失調(diào)像差特性,建立了基于改進(jìn)的靈敏度矩陣的失調(diào)校正模型,分別采用改進(jìn)模型和靈敏度矩陣模型對(duì)500個(gè)隨機(jī)生成的失調(diào)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了仿真裝調(diào)。仿真裝調(diào)結(jié)果表明:對(duì)于次鏡3種偏心量的計(jì)算均方根偏差,改進(jìn)模型與靈敏度矩陣模型結(jié)果的比值在13%—24%之間,對(duì)于2種傾斜量的計(jì)算均方根偏差,改進(jìn)模型與靈敏度矩陣模型結(jié)果的比值在12%—13%之間。改進(jìn)模型的失調(diào)量求解準(zhǔn)確度大幅優(yōu)于靈敏度矩陣模型。最終,采用改進(jìn)模型對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行實(shí)際裝調(diào),得到了軸上視場(chǎng)波像差rms值為0.056?(?=632.8nm),邊緣視場(chǎng)波像差rms值均優(yōu)于?????的良好裝調(diào)結(jié)果。目前大多數(shù)失調(diào)校正模型都屬于數(shù)值化模型,這些數(shù)值化校正模型都沒有從像差理論的角度研究失調(diào)像差產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制。針對(duì)這一問題,提出了基于三級(jí)矢量像差理論的兩反望遠(yuǎn)鏡失調(diào)校正模型,可實(shí)現(xiàn)對(duì)失調(diào)量和主鏡像散面形誤差量的解算。利用校正模型針對(duì)一個(gè)r-c望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了仿真失調(diào)校正實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在不存在檢測(cè)噪聲的情況下,檢測(cè)兩個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)僅需一次調(diào)整,即可完成失調(diào)校正。并且在次鏡失調(diào)量較大的情況下(偏心2mm以內(nèi),傾斜0.1°以內(nèi),zernike像散系數(shù)0.2?以內(nèi)),校正效果仍然良好。在存在檢測(cè)噪聲的情況下,增加檢測(cè)視場(chǎng)點(diǎn)個(gè)數(shù)有利用增強(qiáng)校正模型的魯棒性。對(duì)比了改進(jìn)的靈敏度矩陣模型和矢量像差模型的校正效果。對(duì)比結(jié)果表明,對(duì)于兩反望遠(yuǎn)鏡,無論是否存在檢測(cè)噪聲,兩種失調(diào)校正模型的校正能力基本相當(dāng)。提出了基于五級(jí)矢量像差理論的偏視場(chǎng)型三反望遠(yuǎn)鏡失調(diào)校正模型,推導(dǎo)了三反望遠(yuǎn)鏡中像差場(chǎng)偏移矢量與視軸誤差的解析式。以一個(gè)偏視場(chǎng)型的三反望遠(yuǎn)鏡為例,建立了三級(jí)矢量像差模型,并進(jìn)行了仿真裝調(diào)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三級(jí)矢量像差模型對(duì)三反望遠(yuǎn)鏡校正精度不足,還需要進(jìn)一步考慮五級(jí)像差,建立五級(jí)矢量像差模型。利用五級(jí)矢量像差模型進(jìn)行了仿真裝調(diào)實(shí)驗(yàn),仿真實(shí)驗(yàn)通過3次迭代調(diào)整將失調(diào)三反望遠(yuǎn)鏡的波像差值校正到了設(shè)計(jì)值。蒙特卡羅仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,失調(diào)量越大所需的迭代調(diào)整次數(shù)越多,在偏心失調(diào)量小于1mm,傾斜失調(diào)量小于0.1°的失調(diào)范圍內(nèi),五級(jí)校正模型通過3次迭代調(diào)整即可完成對(duì)所有失調(diào)樣本的校正。對(duì)比了改進(jìn)的靈敏度矩陣模型和五級(jí)矢量像差模型的校正效果。對(duì)比結(jié)果表明,對(duì)于三反望遠(yuǎn)鏡的失調(diào)校正,五級(jí)矢量像差模型的校正殘差要比改進(jìn)的靈敏度矩陣模型小大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。?為解決矢量像差校正模型不能直接應(yīng)用于光闌離軸望遠(yuǎn)鏡的問題,提出了圓光瞳波面zernike系數(shù)的變換算法和矢量像差理論相結(jié)合的光闌離軸型望遠(yuǎn)鏡的失調(diào)校正模型。推導(dǎo)出了前9項(xiàng)與前16項(xiàng)fringezernike系數(shù)變換矩陣,建立了新太陽望遠(yuǎn)鏡的失調(diào)校正模型,并進(jìn)行了仿真裝調(diào)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在檢測(cè)視場(chǎng)點(diǎn)大于3個(gè)的情況下,經(jīng)過3次迭代調(diào)整后,5種失調(diào)量均校正至公差限內(nèi),系統(tǒng)波像差降低至衍射受限水平。雖然本文中的失調(diào)校正模型是針對(duì)反射式望遠(yuǎn)鏡的所提出的,但是本文模型的建立思想同樣適用于其他成像光學(xué)系統(tǒng)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH743
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本文編號(hào)：1146960