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《中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)》 2013年
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离轴反射光学系统计算机辅助装调技术研究

庞志海  
【摘要】:随着光学设计技术与光学制造技术的不断进步,光学系统逐渐从轴对称系统发展为离轴反射系统。离轴反射光学系统的装调是实现离轴光学系统高成像质量必不可少的一部分,离轴反射光学系统的高性能装调也越来越依赖高技术的支持。计算机辅助装调技术作为离轴光学系统研制过程中不可缺少的技术保障手段正逐渐成为空间光学系统研究的关键技术之一,而且计算机辅助装调技术的发展也极大的促进了光学设计与先进光学加工技术的进一步发展。 本论文主要针对计算机辅助装调技术在离轴反射光学系统中的应用进行研究。主要研究内容如下: 1.轴对称光学系统像差特性的研究 利用轴对称光学系统的矢量波像差理论分析了轴对称光学系统失调时初级球差、彗差、像散特性,建立了轴对称失调光学系统波像差Zernike系数与视场之间的关系式。将矢量波像差应用于常用的轴对称RC、TMA系统的装调过程,研究获得RC、TMA系统在装调过程中球差、彗差、像散的相关性质,分析了不能依据轴上视场成像质量判断光学系统装调状态的原因;同时对不同元件失调像差相互补偿进行了研究,指导了光学系统的设计。 2.离轴光学系统像差特性的研究 利用坐标变换建立了离轴(孔径离轴)光学系统与对应轴对称光学系统波像差Zernike系数的转化关系;引入矢量坐标变换将矢量波像差理论应用到离轴光学系统,获得了离轴光学系统、失调离轴光学系统初级像差的矢量表达式,研究结果表明离轴光学系统、失调离轴光学系统初级像差依然由球差、彗差、像散组成,不同像差与视场的依据关系不同;以离轴RC、TMA系统为例分析了失调情况下离轴反射光学系统的球差、彗差、像散特性;同时利用坐标变换研究了大口径反射镜初级面形误差对光学系统像差特性的影响;对光学元件面形误差引入像差与光学元件失调像差相互校正来实现光学系统设计进行了研究,指导基于自由曲面的反射光学系统设计。 3.离轴光学系统元件失调量的分析 对于离轴三反光学系统的装调需求,建立了基于矢量波像差理论的轴对称光学系统、离轴光学系统元件失调模型(失调矩阵)。模拟离轴光学系统失调量不同数量级情况下的装调过程,通过模拟分析可知随着失调量的增加系统在装调过程中的调整次数也不断的增加,失调量数量级较大的情况下可能出现越调越坏的情况(算法不收敛),利用矢量波像差理论分析了失调量较大情况下算法不收敛的原因。 4.实际离轴光学系统元件失调量的计算 在利用离轴光学系统元件失调模型计算元件失调量的过程中,分析了实际装调过程中计算元件失调量不准确的原因,提出了设置失调矩阵奇异值阈值的方法来解决该问题,提高了算法的稳定性。详细介绍了离轴光学系统粗装调的过程,结果表明基于矢量波像差理论的离轴光学计算机辅助装调模型可以准确的获得该离轴反射系统中待装调元件的失调量,最终指导完成光学系统的实际装调,系统全视场的波像差小于0.09λ(λ为632.8nm)。
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