【摘要】：隨著地面和空間光學系統(tǒng)對探測能力要求不斷提高,光學系統(tǒng)尺寸與重量急劇增大,加大了鏡面加工難度,提高了制造成本。且空間光學系統(tǒng)還受火箭整流罩尺寸與運載能力的限制。多子鏡拼接的結(jié)構(gòu)形式解決了大口徑光學系統(tǒng)的制造和發(fā)射難題,是實現(xiàn)大口徑光學系統(tǒng)的有效手段和發(fā)展趨勢。對拼接式大口徑光學系統(tǒng)而言,高精度面形檢測和大量程高精度共相誤差探測是其關(guān)鍵與難點:高精度面形檢測。大口徑光學系統(tǒng)對鏡面面形要求嚴格,常要求整塊反射鏡和各子區(qū)域面形精度均優(yōu)于λ/40~λ/50 RMS,因此,必須對鏡面面形進行高精度檢測。同時,由于主鏡由多子鏡拼接而成,拼接式大口徑光學系統(tǒng)涉及多個大離軸量非球面檢測,增加了實現(xiàn)高精度面形檢測的難度。高精度共相檢測。拼接式光學系統(tǒng)必須確保各子鏡嚴格共相。若各子鏡之間存在相互錯位,將破壞整個鏡面面形的連續(xù)性,引入共相誤差,嚴重影響成像質(zhì)量。其中,Piston共相誤差,由于存在2π相位模糊性,其檢測或組合檢測技術(shù)必須兼具大量程與高精度;TipTilt共相誤差容限極低,亦必須進行高精度檢測。鑒于8-10 m口徑光學望遠鏡為我國下一步發(fā)展方向,對拼接式大口徑光學系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)——面形檢測與共相誤差探測開展研究具有重要理論及現(xiàn)實意義�？紤]到計算全息(CGH)檢測離軸非球面的固有優(yōu)勢,本文以計算全息為手段,開展了基于計算全息的拼接式大口徑光學系統(tǒng)面形檢測和共相技術(shù)研究,不僅為工程實踐提供指導,而且擴展了計算全息應用范圍,提高了設計效率。論文主要完成工作如下:1.通過比較拼接式、稀疏孔徑式和衍射薄膜式三種超大口徑光學系統(tǒng)的實現(xiàn)形式和成像特性,明確了面形檢測與共相誤差探測是實現(xiàn)大口徑光學系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題。并著眼于拼接式光學系統(tǒng),提出了基于計算全息的面形檢測與子鏡共相技術(shù)的探索問題。2.對國際上現(xiàn)有的高精度面形檢測和共相技術(shù)進行了深入調(diào)研和比較。分析了拼接式大口徑光學系統(tǒng)面形檢測的特異性,明確了計算全息用于拼接式光學系統(tǒng)面形檢測的固有優(yōu)勢;分析了各共相技術(shù)的實現(xiàn)原理、檢測對象、量程精度及主要限制因素,為計算全息式共相技術(shù)研究指明了幾種探索方向。3.開展了拼接式大口徑光學系統(tǒng)子鏡面形誤差和共相誤差影響分析。構(gòu)建了拼接式光學模型,推導了子鏡六自由度共相誤差所對應波像差的解析式,分析了共相誤差的本質(zhì)及各自由度誤差間的聯(lián)系;設計了4 m口徑的拼接式同軸三反系統(tǒng),并以之為例進行子鏡誤差影響仿真,與模型推導結(jié)果符合良好。4.提出了基于參數(shù)模型的CGH優(yōu)化設計方法。結(jié)合典型光學系統(tǒng)非球面二次曲面常數(shù)K和口徑F/#分布范圍,給出了適用于弱非球面(-0.5≤K0且F/#≥2)的傍軸參數(shù)模型,并改進為適用于中等非球面(-4≤K0且F/#≥1.5)的非傍軸參數(shù)模型;分析了各級次衍射雜光分布規(guī)律,從理論上明確了CGH雜光的特征級次為(1,0)和(2,0),并給出了最優(yōu)設計方法及流程,實現(xiàn)去除衍射雜光、降低條紋密度、限制投影畸變和約束器件尺寸四個層面的優(yōu)化。5.提出了基于Matlab-Zemax交互的CGH優(yōu)化設計方法,并編寫了程序,擺脫了Zemax優(yōu)化內(nèi)核的限制,克服了大去除量的強非球面/自由曲面補償檢測CGH難以通過Zemax直接優(yōu)化實現(xiàn)的難題,極大提高了CGH設計效率,且可實現(xiàn)對CGH的傾斜角度、放置位置、載頻參數(shù)等全方位尋優(yōu)。6.完成了基于CGH的拼接式大口徑光學系統(tǒng)面形檢測設計。以4 m口徑的拼接式同軸三反系統(tǒng)為對象,完成了主三鏡CGH補償檢測設計,次鏡無像差點結(jié)合子孔徑拼接法與CGH折衍混合補償檢測設計;并與Offner補償器相對比,明確了CGH用于拼接鏡檢測時可充分利用干涉儀通光口徑、易精確對準且設計殘差小的優(yōu)勢。7.開展了CGH用于共相檢測的研究,進行了基于雙波長CGH的面形與共相一體化檢測、基于CGH型色散條紋傳感器(CGH-DFS)的粗共相技術(shù)探索,提出了CGH型夏克-哈特曼傳感器(CGH-SHAPS)共相技術(shù)。CGH-SHAPS利用單片CGH同時取代傳統(tǒng)SHAPS的光瞳掩模和成像透鏡陣列,簡化結(jié)構(gòu),降低光瞳精確對準難度。仿真結(jié)果表明,CGH-SHAPS可高精度檢測共相誤差,滿足拼接式大口徑光學系統(tǒng)共相檢測需求。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：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】：2017
【分類號】：TH74

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本文編號：2429379