超大口徑四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、蘇州大學(xué)碩士學(xué)位論文超大口徑四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名:朱立榮申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):光學(xué)工程指導(dǎo)教師:沈?yàn)槊?0070501 圖1.1JamesWeb望遠(yuǎn)鏡美國(guó)波音SVS公司正在研制的天基稀疏孔徑望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)口.4】(圖I-2,采用四反射鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu),即由主鏡、次鏡、三鏡和四鏡組成系統(tǒng),其中主鏡有效口徑8米,采用Golay6稀疏孔徑結(jié)構(gòu),光學(xué)系統(tǒng)焦距90米,視場(chǎng)角O.19',在軌高度6100千米,地面分辨率0.292米。 圖l-2天基稀疏孔徑望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)2004年,愛(ài)爾蘭國(guó)立大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理系光學(xué)組設(shè)計(jì)了一種超大地基望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)【4l (圖1.3,主鏡111徑達(dá)40米,采用拋物面拼接鏡形式。次鏡直

2、徑24米,使用自適應(yīng)技術(shù)。系統(tǒng)中心遮攔0.31,光能損失9%左右,在O.130的視場(chǎng)范圍內(nèi)像質(zhì)可達(dá)到衍射極限要求。 圖l-3愛(ài)爾蘭國(guó)立大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理系超大地基望遠(yuǎn)鏡我國(guó)正在研制的大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡嘲(LAMOST,如圖1-4,采用反射式施密特結(jié)構(gòu),球面主鏡由37塊對(duì)角線1.1米的六角形球面子鏡組成,口徑大小為6.67米和6.05米,有效通光孔徑4米,在1.5小時(shí)曝光時(shí)間內(nèi)以l納米的光譜分辨率可以觀測(cè)到20.5等的暗弱天體的光譜,是一種地基望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。 圖l-4大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡 超大口徑四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第四章超大口徑四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 圖4-l四反射鏡光

3、學(xué)系統(tǒng)光路圖 (a系統(tǒng)通光示意圖(b四鏡通光示意圖圖4_芝系統(tǒng)通光示意圖及局部放大圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4-I:表4.1四鏡面與主鏡面重合結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù):反射鏡曲率半徑(衄二次非球面系數(shù)間距(M主鏡M-330O-11450次鏡M2.312.2奠3眈519470三鏡M3-7760.o.59町-8214四鏡M4-732421.6234系統(tǒng)的成像質(zhì)量如圖4-3和圖4.4給出的點(diǎn)列圖和盯F曲線所示,圖4.3中的圓代表艾里斑,其直徑為13.42nm,可以看出像面上各視場(chǎng)的點(diǎn)列圖與艾里斑大小相當(dāng),系統(tǒng)成像質(zhì)量接近衍射受限。由圖4-4的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線可見(jiàn),隨著視場(chǎng)角的增大,MTF值只略有減小,對(duì)于像元大

4、小10tan的焦平面探測(cè)器,奈奎斯特空間頻率501p/mm處的MTF值仍接近于0.4,可以滿足使用要求。畸變曲線如圖4.5所示,縱坐標(biāo)表示視場(chǎng),橫坐標(biāo)表示相對(duì)畸變大小,可以看出邊緣視場(chǎng)的畸變值只有0.025%左右。20 化設(shè)計(jì) (8系統(tǒng)通光示意圖(b三鏡通光示意圖(c四鏡通光示意圖圖4-7系統(tǒng)通光示意圖及局部放大圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4.2:表4.2四鏡面與主鏡面不重合結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù):反射鏡曲率半徑(衄二次非球面系數(shù)間距(m主鏡M1.3295S0.11894次鏡M2-21799-31.811813s70三鏡M3.6928-0.62加-576l 四鏡M.-8336.78.2782系統(tǒng)點(diǎn)列圖如圖

5、4-8所示,其艾里斑半徑13.42ram,各個(gè)視場(chǎng)的點(diǎn)列圖比艾里斑略大,像質(zhì)沒(méi)有完全達(dá)到衍射受限的要求,但從如圖4.9所示的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線圖可以看出,系統(tǒng)MTF值在奈奎斯特空間頻率(501p/ram處的仍高于0.3,可見(jiàn)雖然系統(tǒng)沒(méi)有達(dá)到衍射受限要求,但是由于其中心遮攔較小,中間頻率處MTF 值下降不大,仍可以滿足使用要求。系統(tǒng)畸變圖如圖4-10所示,其最大視場(chǎng)處的畸變量只有0.01%左右?；O(shè)計(jì) 圖4.8光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖 圖4.9光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線圖/:“?！?。墨蕓囂圖4.IO光學(xué)系統(tǒng)畸變曲線圖這種光學(xué)系統(tǒng)較前一系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于筒長(zhǎng)縮短了約四分之一,結(jié)構(gòu)更加緊湊,在裝載過(guò)程中,可將主鏡、

6、三鏡和四鏡安放在同一個(gè)衛(wèi)星上,從而降低成本。其不足之處是視場(chǎng)也隨之減小了,且成像質(zhì)量不如前系統(tǒng),而且四鏡的非球面系數(shù)過(guò)大,在現(xiàn)有條件下難以加工。 化設(shè)計(jì) 圖4-11光學(xué)系統(tǒng)光路圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4-3:表4_3四鏡面與主鏡面重合結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù):反射鏡曲率半徑(m二次非球面系數(shù)間距(mm主鏡MI-23021.1-7264次鏡M2.18564-13.7212.14065三鏡Mj-7916o.1251-6901四鏡M.-8134-9.5472由于使用了拋物面主鏡,這種方案的像質(zhì)較前兩種有很大改進(jìn),點(diǎn)列圖和調(diào)制傳遞函數(shù)曲線圖如圖4-12和圖4-13所示,可以看出它的成像質(zhì)量已經(jīng)完全達(dá)到衍射受限的

7、要求,奈奎斯特空間頻率處的MTF值也高于0.4.系統(tǒng)畸變量略有增加,但仍不超過(guò)O.1%,見(jiàn)圖4-14. 圖4-12光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖 化設(shè)計(jì)系統(tǒng)光路圖見(jiàn)圖4-15。 圖舢15光學(xué)系統(tǒng)光路圖從圖中可以看出此方案的光路圖與第二種方案很相似,其不同點(diǎn)是此方案中,由于視場(chǎng)的增大,成像光束在三鏡和四鏡上的相對(duì)入射高度大大增加了,這就意味著必然要產(chǎn)生一定數(shù)量的二次遮攔。例如,中間成像光束在四鏡上的入射高度為147.65ram,而四鏡的半口徑為412.75ram,如果中間開(kāi)一圓孔使成像光束通過(guò)的話,其二次遮攔比是36%,這顯然是不能接受的。但是,對(duì)照四鏡的通光圖(圖4-16可以看出,中間成像光束在四鏡上的圖形只

8、是一長(zhǎng)約295.3mm,寬約13ram的細(xì)帶(圖4-17,如果在四鏡上做出這樣一個(gè)長(zhǎng)型孔帶,僅使中間成像光束通過(guò),那么它所造成的二次遮攔不會(huì)超過(guò)S長(zhǎng)a/S_-=o.7%,如此小的二次遮攔對(duì)系統(tǒng)的影響是可以忽略的。 圖4-16四鏡通光示意圖圖417中間像點(diǎn)圖同樣,考察最終成像光束通過(guò)三鏡的情況(圖4-18,三鏡半口徑1472.85mm,成像光束在三鏡上入射模型呈條狀(見(jiàn)圖4-19,長(zhǎng)1033.82mm,寬約32mm。如果在三鏡上的開(kāi)孔是這樣一條細(xì)帶,其二次遮攔為S景,/s日=o.5%,也是可以忽略的?；O(shè)計(jì) 圖4-18三鏡通光示意圖圖4-19成像光束在三鏡上的通光圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4.4表4-4

9、四鏡面與主鏡面不重合結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù):反射鏡曲率半徑(hen二次非球面系數(shù)間距(mm主鏡M,.32250.1.11608次鏡M2.22683.19.358514000三鏡M3-7591_0.1359-6509四鏡M.843216.3288下面分別用點(diǎn)列圖(圖4-20和傳遞函數(shù)圖(圖4-21來(lái)評(píng)價(jià)此方案的成像質(zhì)量。 圖4-20點(diǎn)列圖圖4-21調(diào)制傳遞函數(shù)圖從圖中可以看出,各視場(chǎng)成像像斑均小于艾里斑,即在衍射極限范圍內(nèi)。各視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)值均接近衍射極限,在501p/mm處的最小MTF值接近O.5,其像質(zhì)是很好的。4.2.3小結(jié)與球面主鏡相比,拋物面主鏡的應(yīng)用降低了次鏡與四鏡所負(fù)擔(dān)的消像差任

10、務(wù),因此它們的非球面系數(shù)也大大減小了。與前面一種方案相比,這種方案提出了一種新的思路,即在不影響系統(tǒng)成像質(zhì)量的前提下,允許一定的二次遮攔存在,目的在 （）： 許世文，付苓，徐波，龍夫年，：、輕型遙感相機(jī)全反射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，光學(xué) 學(xué)報(bào)， （）： 【王之江，光學(xué)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，科學(xué)出版社， 】 ， ， ， 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文 ， ，“ ” ，已錄用 攻讀學(xué)位期間參加的學(xué)術(shù)會(huì)議 、“ ， ”， 、“江蘇、山東、河南、江西、黑龍江五省光學(xué)（激光）聯(lián)合學(xué)術(shù)年 會(huì)”，年月日一日，無(wú)錫 致謝 本論文是在導(dǎo)師沈?yàn)槊裱芯繂T的悉心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇、展開(kāi)直至 論文的撰寫(xiě)、修改，每一個(gè)環(huán)節(jié)都傾注了沈老

11、師的心血。沈老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的治學(xué)態(tài) 度，實(shí)事求是的工作作風(fēng)，淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)，孜孜不倦的進(jìn)取精神，將永遠(yuǎn)令我敬 仰與學(xué)習(xí)，永遠(yuǎn)不斷的鼓勵(lì)和督促我在以后的人生道路上開(kāi)拓進(jìn)取。在此謹(jǐn)向沈老 師表示衷心的感謝 感謝薛鳴球院士的諄諄教誨。薛老師一絲不茍的治學(xué)作風(fēng)、精益求精的學(xué)術(shù)要 求、以及身體力行的務(wù)實(shí)精神，是我學(xué)習(xí)道路上的一盞明燈，令我不斷前進(jìn)。 感謝余建軍老師、唐敏學(xué)老師、吳泉英老師、劉琳老師、張桂菊老師、周健康 老師在學(xué)習(xí)和工作中給予我的幫助，感謝季軼群、劉紅軍、郭勇、秦琳玲、陸國(guó)華 以及所里的其它同學(xué)和老師給我的支持！感謝你們給我提供了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán) 境，陪我度過(guò)這人生中最美好的時(shí)光！ 最后，衷心感謝我的家人和朋友，他們的關(guān)懷與期待是我永遠(yuǎn)向上的最大動(dòng)力！ 超大口徑四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者： 學(xué)位授予單位： 朱立榮 蘇州大學(xué) 本文讀者也讀過(guò)(9條 1. 張蕊蕊 環(huán)形孔徑超薄光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)位論文2009 2. 馬蘭 大倍率大口徑觀光望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)位論文2009 3. 孫強(qiáng) 紅外折射/衍射光學(xué)系統(tǒng)研究學(xué)位論文2003 4. 叢杉珊 大視場(chǎng)、長(zhǎng)焦距、反射式空間光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)位論文2008 5. 張爽 波差法設(shè)計(jì)非球面光學(xué)系統(tǒng)方法研究學(xué)位論文2008 6.