超大口径四反射镜光学系统设计

1、苏州大学硕士学位论文超大口径四反射镜光学系统设计姓名:朱立荣申请学位级别:硕士专业:光学工程指导教师:沈为民20070501 图1.1JamesWeb望远镜美国波音SVS公司正在研制的天基稀疏孔径望远镜系统口.4】(图I-2,采用四反射镜系统结构,即由主镜、次镜、三镜和四镜组成系统,其中主镜有效口径8米,采用Golay6稀疏孔径结构,光学系统焦距90米,视场角O.19',在轨高度6100千米,地面分辨率0.292米。 图l-2天基稀疏孔径望远镜系统2004年,爱尔兰国立大学实验物理系光学组设计了一种超大地基望远镜系统【4l (图1.3,主镜111径达40米,采用抛物面拼接镜形式。次镜直

2、径24米,使用自适应技术。系统中心遮拦0.31,光能损失9%左右,在O.130的视场范围内像质可达到衍射极限要求。 图l-3爱尔兰国立大学实验物理系超大地基望远镜我国正在研制的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜嘲(LAMOST,如图1-4,采用反射式施密特结构,球面主镜由37块对角线1.1米的六角形球面子镜组成,口径大小为6.67米和6.05米,有效通光孔径4米,在1.5小时曝光时间内以l纳米的光谱分辨率可以观测到20.5等的暗弱天体的光谱,是一种地基望远镜系统。 图l-4大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜 超大口径四反射镜光学系统设计第四章超大口径四反射镜光学系统优化设计 图4-l四反射镜光

3、学系统光路图 (a系统通光示意图(b四镜通光示意图图4_芝系统通光示意图及局部放大图系统结构参数见表4-I:表4.1四镜面与主镜面重合结构光学系统结构参数:反射镜曲率半径(衄二次非球面系数间距(M主镜M-330O-11450次镜M2.312.2奠3眈519470三镜M3-7760.o.59町-8214四镜M4-732421.6234系统的成像质量如图4-3和图4.4给出的点列图和盯F曲线所示,图4.3中的圆代表艾里斑,其直径为13.42nm,可以看出像面上各视场的点列图与艾里斑大小相当,系统成像质量接近衍射受限。由图4-4的调制传递函数曲线可见,随着视场角的增大,MTF值只略有减小,对于像元大

4、小10tan的焦平面探测器,奈奎斯特空间频率501p/mm处的MTF值仍接近于0.4,可以满足使用要求。畸变曲线如图4.5所示,纵坐标表示视场,横坐标表示相对畸变大小,可以看出边缘视场的畸变值只有0.025%左右。20 化设计 (8系统通光示意图(b三镜通光示意图(c四镜通光示意图图4-7系统通光示意图及局部放大图系统结构参数见表4.2:表4.2四镜面与主镜面不重合结构光学系统结构参数:反射镜曲率半径(衄二次非球面系数间距(m主镜M1.3295S0.11894次镜M2-21799-31.811813s70三镜M3.6928-0.62加-576l 四镜M.-8336.78.2782系统点列图如图

5、4-8所示,其艾里斑半径13.42ram,各个视场的点列图比艾里斑略大,像质没有完全达到衍射受限的要求,但从如图4.9所示的调制传递函数曲线图可以看出,系统MTF值在奈奎斯特空间频率(501p/ram处的仍高于0.3,可见虽然系统没有达到衍射受限要求,但是由于其中心遮拦较小,中间频率处MTF 值下降不大,仍可以满足使用要求。系统畸变图如图4-10所示,其最大视场处的畸变量只有0.01%左右。化设计 图4.8光学系统点列图 图4.9光学系统调制传递函数曲线图/:“。”1。墨芸嚣图4.IO光学系统畸变曲线图这种光学系统较前一系统的优点在于筒长缩短了约四分之一,结构更加紧凑,在装载过程中,可将主镜、

6、三镜和四镜安放在同一个卫星上,从而降低成本。其不足之处是视场也随之减小了,且成像质量不如前系统,而且四镜的非球面系数过大,在现有条件下难以加工。 化设计 图4-11光学系统光路图系统结构参数见表4-3:表4_3四镜面与主镜面重合结构光学系统结构参数:反射镜曲率半径(m二次非球面系数间距(mm主镜MI-23021.1-7264次镜M2.18564-13.7212.14065三镜Mj-7916o.1251-6901四镜M.-8134-9.5472由于使用了抛物面主镜,这种方案的像质较前两种有很大改进,点列图和调制传递函数曲线图如图4-12和图4-13所示,可以看出它的成像质量已经完全达到衍射受限的

7、要求,奈奎斯特空间频率处的MTF值也高于0.4.系统畸变量略有增加,但仍不超过O.1%,见图4-14. 图4-12光学系统点列图 化设计系统光路图见图4-15。 图舢15光学系统光路图从图中可以看出此方案的光路图与第二种方案很相似,其不同点是此方案中,由于视场的增大,成像光束在三镜和四镜上的相对入射高度大大增加了,这就意味着必然要产生一定数量的二次遮拦。例如,中间成像光束在四镜上的入射高度为147.65ram,而四镜的半口径为412.75ram,如果中间开一圆孔使成像光束通过的话,其二次遮拦比是36%,这显然是不能接受的。但是,对照四镜的通光图(图4-16可以看出,中间成像光束在四镜上的图形只

8、是一长约295.3mm,宽约13ram的细带(图4-17,如果在四镜上做出这样一个长型孔带,仅使中间成像光束通过,那么它所造成的二次遮拦不会超过S长a/S_-=o.7%,如此小的二次遮拦对系统的影响是可以忽略的。 图4-16四镜通光示意图图417中间像点图同样,考察最终成像光束通过三镜的情况(图4-18,三镜半口径1472.85mm,成像光束在三镜上入射模型呈条状(见图4-19,长1033.82mm,宽约32mm。如果在三镜上的开孔是这样一条细带,其二次遮拦为S景,/s日=o.5%,也是可以忽略的。化设计 图4-18三镜通光示意图图4-19成像光束在三镜上的通光图系统结构参数见表4.4表4-4

9、四镜面与主镜面不重合结构光学系统结构参数:反射镜曲率半径(hen二次非球面系数间距(mm主镜M,.32250.1.11608次镜M2.22683.19.358514000三镜M3-7591_0.1359-6509四镜M.843216.3288下面分别用点列图(图4-20和传递函数图(图4-21来评价此方案的成像质量。 图4-20点列图图4-21调制传递函数图从图中可以看出,各视场成像像斑均小于艾里斑,即在衍射极限范围内。各视场的调制传递函数值均接近衍射极限,在501p/mm处的最小MTF值接近O.5,其像质是很好的。4.2.3小结与球面主镜相比,抛物面主镜的应用降低了次镜与四镜所负担的消像差任

10、务,因此它们的非球面系数也大大减小了。与前面一种方案相比,这种方案提出了一种新的思路,即在不影响系统成像质量的前提下,允许一定的二次遮拦存在,目的在 （）： 许世文，付苓，徐波，龙夫年，：、轻型遥感相机全反射光学系统设计，光学 学报， （）： 【王之江，光学设计理论基础，科学出版社， 】 ， ， ， 攻读硕士学位期间发表的论文 ， ，“ ” ，已录用 攻读学位期间参加的学术会议 、“ ， ”， 、“江苏、山东、河南、江西、黑龙江五省光学（激光）联合学术年 会”，年月日一日，无锡 致谢 本论文是在导师沈为民研究员的悉心指导下完成的。从课题的选择、展开直至 论文的撰写、修改，每一个环节都倾注了沈老

11、师的心血。沈老师严谨细致的治学态 度，实事求是的工作作风，渊博的学术知识，孜孜不倦的进取精神，将永远令我敬 仰与学习，永远不断的鼓励和督促我在以后的人生道路上开拓进取。在此谨向沈老 师表示衷心的感谢 感谢薛鸣球院士的谆谆教诲。薛老师一丝不苟的治学作风、精益求精的学术要 求、以及身体力行的务实精神，是我学习道路上的一盏明灯，令我不断前进。 感谢余建军老师、唐敏学老师、吴泉英老师、刘琳老师、张桂菊老师、周健康 老师在学习和工作中给予我的帮助，感谢季轶群、刘红军、郭勇、秦琳玲、陆国华 以及所里的其它同学和老师给我的支持！感谢你们给我提供了一个良好的学习环 境，陪我度过这人生中最美好的时光！ 最后，衷心感谢我的家人和朋友，他们的关怀与期待是我永远向上的最大动力！ 超大口径四反射镜光学系统设计 作者： 学位授予单位： 朱立荣 苏州大学 本文读者也读过(9条 1. 张蕊蕊 环形孔径超薄光学成像系统设计学位论文2009 2. 马兰 大倍率大口径观光望远镜的光学系统设计学位论文2009 3. 孙强 红外折射/衍射光学系统研究学位论文2003 4. 丛杉珊 大视场、长焦距、反射式空间光学系统设计学位论文2008 5. 张爽 波差法设计非球面光学系统方法研究学位论文2008 6.