【摘要】：隨著地面和空間光學(xué)系統(tǒng)對(duì)探測(cè)能力要求不斷提高,光學(xué)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(xué)系統(tǒng)還受火箭整流罩尺寸與運(yùn)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(xué)系統(tǒng)的制造和發(fā)射難題,是實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)系統(tǒng)的有效手段和發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)拼接式大口徑光學(xué)系統(tǒng)而言,高精度面形檢測(cè)和大量程高精度共相誤差探測(cè)是其關(guān)鍵與難點(diǎn):高精度面形檢測(cè)。大口徑光學(xué)系統(tǒng)對(duì)鏡面面形要求嚴(yán)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(duì)鏡面面形進(jìn)行高精度檢測(cè)。同時(shí),由于主鏡由多子鏡拼接而成,拼接式大口徑光學(xué)系統(tǒng)涉及多個(gè)大離軸量非球面檢測(cè),增加了實(shí)現(xiàn)高精度面形檢測(cè)的難度。高精度共相檢測(cè)。拼接式光學(xué)系統(tǒng)必須確保各子鏡嚴(yán)格共相。若各子鏡之間存在相互錯(cuò)位,將破壞整個(gè)鏡面面形的連續(xù)性,引入共相誤差,嚴(yán)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(cè)或組合檢測(cè)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(jìn)行高精度檢測(cè)。鑒于8-10 m口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡為我國(guó)下一步發(fā)展方向,對(duì)拼接式大口徑光學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)——面形檢測(cè)與共相誤差探測(cè)開展研究具有重要理論及現(xiàn)實(shí)意義�？紤]到計(jì)算全息(CGH)檢測(cè)離軸非球面的固有優(yōu)勢(shì),本文以計(jì)算全息為手段,開展了基于計(jì)算全息的拼接式大口徑光學(xué)系統(tǒng)面形檢測(cè)和共相技術(shù)研究,不僅為工程實(shí)踐提供指導(dǎo),而且擴(kuò)展了計(jì)算全息應(yīng)用范圍,提高了設(shè)計(jì)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(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式和成像特性,明確了面形檢測(cè)與共相誤差探測(cè)是實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題。并著眼于拼接式光學(xué)系統(tǒng),提出了基于計(jì)算全息的面形檢測(cè)與子鏡共相技術(shù)的探索問題。2.對(duì)國(guó)際上現(xiàn)有的高精度面形檢測(cè)和共相技術(shù)進(jìn)行了深入調(diào)研和比較。分析了拼接式大口徑光學(xué)系統(tǒng)面形檢測(cè)的特異性,明確了計(jì)算全息用于拼接式光學(xué)系統(tǒng)面形檢測(cè)的固有優(yōu)勢(shì);分析了各共相技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理、檢測(cè)對(duì)象、量程精度及主要限制因素,為計(jì)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(xué)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(xué)模型,推導(dǎo)了子鏡六自由度共相誤差所對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)了4 m口徑的拼接式同軸三反系統(tǒng),并以之為例進(jìn)行子鏡誤差影響仿真,與模型推導(dǎo)結(jié)果符合良好。4.提出了基于參數(shù)模型的CGH優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。結(jié)合典型光學(xué)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(jìn)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(jí)次衍射雜光分布規(guī)律,從理論上明確了CGH雜光的特征級(jí)次為(1,0)和(2,0),并給出了最優(yōu)設(shè)計(jì)方法及流程,實(shí)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(gè)層面的優(yōu)化。5.提出了基于Matlab-Zemax交互的CGH優(yōu)化設(shè)計(jì)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(qiáng)非球面/自由曲面補(bǔ)償檢測(cè)CGH難以通過Zemax直接優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的難題,極大提高了CGH設(shè)計(jì)效率,且可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xué)系統(tǒng)面形檢測(cè)設(shè)計(jì)。以4 m口徑的拼接式同軸三反系統(tǒng)為對(duì)象,完成了主三鏡CGH補(bǔ)償檢測(cè)設(shè)計(jì),次鏡無像差點(diǎn)結(jié)合子孔徑拼接法與CGH折衍混合補(bǔ)償檢測(cè)設(shè)計(jì);并與Offner補(bǔ)償器相對(duì)比,明確了CGH用于拼接鏡檢測(cè)時(shí)可充分利用干涉儀通光口徑、易精確對(duì)準(zhǔn)且設(shè)計(jì)殘差小的優(yōu)勢(shì)。7.開展了CGH用于共相檢測(cè)的研究,進(jìn)行了基于雙波長(zhǎng)CGH的面形與共相一體化檢測(cè)、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(shí)取代傳統(tǒng)SHAPS的光瞳掩模和成像透鏡陣列,簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),降低光瞳精確對(duì)準(zhǔn)難度。仿真結(jié)果表明,CGH-SHAPS可高精度檢測(cè)共相誤差,滿足拼接式大口徑光學(xué)系統(tǒng)共相檢測(cè)需求。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)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】：2017
【分類號(hào)】：TH74

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本文編號(hào)：2429379