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离轴非球面反射镜检测技术的研究

作　者: 陈钦芳
导　师: 李英才
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 光学测量离轴非球面零位检验参数控制检测光路调整
分类号: TH74
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

离轴三反光学系统可实现宽覆盖，获得接近理想的成想性能和效果，是空间光学遥感系统的重要发展方向，但是普遍认为其制造和装调技术比较难。高精度离轴非球面光学元件的制造需要与之精度相适应的检测技术，离轴非球面镜的高精度测量技术一直都是先进光学制造领域的前沿课题，仍然面临着很多挑战。本文研究工作的主要任务就是有效地解决离轴非球面检测的关键理论和技术问题，从真正意义上掌握离轴非球面光学元件的测量技术。本文以XX离轴三反相机中的主镜和三镜的检测为主线开展了以下几个方面的研究工作。1.基于Zernike多项式推导了光学系统的出瞳变换矩阵以及波前绕自身几何中心旋转的变换矩阵。出瞳变换矩阵是研究光学系统的出瞳经缩放和偏心后，系统波像差的变换关系。在非球面检测系统中，被检镜从母镜到离轴非球面镜，相当于系统光瞳从母镜经缩放和偏心后变换到离轴子镜身上，因此，出瞳变换矩阵是研究母镜和离轴子镜检测系统波像差之间关系的桥梁。2.本文基于三级像差理论，针对Offner、Dall和无光焦度补偿法，建立了相应的初始结构设计理论，考察了补偿器的结构参数对检测系统残余波像差的影响，明确了各参数的选取原则和范围。并结合XX三反相机中的离轴主镜和三镜，进行了实际检测光路的设计。3.补偿器设计结果的工艺性是其能否得到实施的关键因素之一。本文以离轴三镜的检测系统为例，在现有的工艺水平下，对补偿器的制造、装调误差进行了详细的分析。4.阐述了全息法检测非球面的原理及其对准方法。建立了单块离轴非球面镜检测系统的初始结构设计理论，对于大非球面度的离轴非球面镜，仅采用简单的单个补偿透镜是不能满足高精度非球面检测的要求，故在补偿法中引入计算全息，利用单个球面反射镜补偿由离轴非球面镜产生像散和慧差的主要量，计算全息片补偿剩余的像差，由于全息片所承担的像差量较少，因此其制作难度也可以降低，而且也简化了补偿器的结构。文中也给出了单块离轴非球面镜检测系统的设计实例。5.根据离轴非球面面形偏差的数学表达式，通过分析离轴量误差引入的面形误差，指出离轴量误差主要是由母镜检测系统的非对称性像差—彗差引入的。由本文的分析可知，在小视场范围内，离轴量误差与检测视场成线性关系。同时基于Zernike旋转变换矩阵分析离轴非球面自旋角度误差对检测系统波像差的影响，给出自旋角度误差的计算公式。6.针对补偿法和无像差点法检测离轴非球面，利用光线追迹法，分析非球面干涉检测系统中，由被检镜的调整误差引入的系统波像差，建立调整误差分离的数学模型。将该分离模型应用于XX离轴三反相机的主镜、三镜以及XX空间遥感相机的离轴三镜实际检测光路的调整中，最终检测结果都优于1/40λ RMS (Root Mean Square, λ=632.8nm)，试验结果验证了本文提出的调整误差分离方法的正确性。本文通过对离轴非球面检测中若干关键技术的研究，对离轴非球面镜检测方案的确定、精度分析以及检测方案的实施提供了理论和技术指导，并成功制备出XX离轴三反相机中的主镜和三镜，为离轴相机最终的研制成功提供了关键基础技术保障。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-26
  1.1 课题研究的背景及意义  10-12
  1.2 非球面的检测方法  12-21
    1.2.1 面形轮廓测量  13-16
    1.2.2 几何光线法  16-19
    1.2.3 干涉测量法  19-21
  1.3 本文主要研究内容  21-22
  参考文献  22-26
第二章理论基础  26-41
  2.1 初级像差理论  26-30
    2.1.1 波像差级数展开多项式和 Seidel 像差  26-28
    2.1.2 Seidel 像差系数的 PW 表示式  28-29
    2.1.3 PW 初始结构参数的求解  29-30
  2.2 Zernike 多项式展开理论  30-38
    2.2.1 Zernike 多项式  30-32
    2.2.2 波像差的出瞳变换关系  32-37
    2.2.3 波前绕自身几何中心旋转的变换关系  37-38
  2.3 本章结论  38
  参考文献  38-41
第三章补偿法检测非球面  41-72
  3.1 补偿器的历史  41-44
  3.2 Offner 补偿器的设计  44-50
    3.2.1 Offner 补偿器初始结构设计理论  44-48
    3.2.2 Offner 补偿器的结构参数分析  48-50
  3.3 无光焦度补偿器的设计  50-54
    3.3.1 无光焦度补偿器的初始结构设计理论  50-52
    3.3.2 无光焦度补偿器的结构参数分析  52-54
  3.4 补偿器设计的实例  54-61
  3.5 补偿器的精度分析  61-68
    3.5.1 补偿器的制造和装配公差分析  61-66
    3.5.2 补偿器的安装偏心误差分析  66-68
    3.5.3 环境温度分析  68
  3.6 本章结论  68-69
  参考文献  69-72
第四章计算全息法检测非球面  72-89
  4.1 全息的原理  72-74
    4.1.1 波前的记录  72-73
    4.1.2 波前再现  73-74
  4.2 全息法检测轴对称非球面  74-78
    4.2.1 计算全息法检测轴对称非球面镜的原理  74-75
    4.2.2 计算全息检测非球面的对准  75-76
    4.2.3 全息法检测轴对称非球面镜的设计实例  76-78
  4.3 单块离轴非球面镜的检测  78-86
    4.3.1 离轴非球面镜的非球面度  78-81
    4.3.2 单个离轴非球面镜的补偿器设计  81-82
    4.3.3 单个离轴非球面镜补偿器设计的实例  82-86
  4.4 本章结论  86-87
  参考文献  87-89
第五章离轴非球面镜的离轴量控制精度和自旋角度误差分析  89-99
  5.1 离轴非球面镜非球面度的 Zernike 多项式表示  89-91
  5.2 离轴非球面镜的离轴量控制精度分析  91-95
    5.2.1 离轴量误差与视场的关系  91-94
    5.2.2 离轴量误差的仿真分析  94-95
  5.3 离轴非球面镜的自旋角度误差分析  95-97
    5.3.1 离轴非球面的自旋角度误差引入的系统波像差  95-97
    5.3.2 离轴非球面自旋角度误差的仿真分析  97
  5.4 本章结论  97-98
  参考文献  98-99
第六章离轴非球面镜检测光路的调整  99-129
  6.1 单个光学表面偏心对光学系统波像差的影响  100-101
  6.2 补偿法检测离轴非球面镜的调整误差分析  101-117
    6.2.1 轴对称非球面镜调整误差引入的检测系统波像差  101-105
    6.2.2 离轴非球面镜调整误差引入的检测系统波像差  105-107
    6.2.3 调整误差分离的数学模型  107-108
    6.2.4 调整误差分离的计算机仿真分析  108-111
    6.2.5 补偿法检测离轴非球面镜检测光路的调整实例  111-117
  6.3 无像差点法检测非球面的失调误差分析  117-124
    6.3.1 轴对称非球面镜调整误差引入的检测系统波像差  117-119
    6.3.2 离轴非球面镜调整误差引入的检测系统波像差  119-120
    6.3.3 调整误差分离的数学模型  120-121
    6.3.4 调整误差分离的计算机仿真分析  121-122
    6.3.5 无像差点法检测离轴非球面镜检测光路的调整实例  122-124
  6.4 非球面检测中注意的事项  124-127
  6.5 本章结论  127-128
  参考文献  128-129
第七章总结与展望  129-132
论文及获奖情况  132-133
致谢  133

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