大口径长焦距反射镜焦距测量技术

论文摘要

大口径长焦距反射镜在天文光学系统、空中遥感相机、激光核聚变驱动器等领域有广泛的应用。长焦距的测量精度直接影响着光学仪器的使用和性能的充分发挥。目前,大口径长焦距反射镜焦距的精确测量存在很大难题。本文针对此类元件口径大(3~5m)、焦距长(30~50m)的特点,提出了一种用于精确测量长焦距的方法,这种方法是基于泰伯(Talbot)效应和莫尔(Moire)条纹技术原理。首先分析比较了传统焦距测量方法,详细讨论了各种方法的优缺点,并结合课题研究对象的特点及长焦距测量的特殊要求,提出了基于泰伯效应和莫尔条纹技术的测量大口径长焦距反射镜焦距的方法。并以Ronchi光栅为例对泰伯效应和莫尔条纹现象进行了理论分析和模拟。这种方法的原理是通过Ronchi光栅的泰伯效应形成莫尔条纹,由莫尔条纹的转角来计算大口径长焦距反射镜焦距值。其中莫尔条纹由CCD采集到计算机中,通过对条纹图像的处理来得到莫尔条纹的精确角度值。针对大口径、长焦距反射镜的自身特点,本文设计了实现该焦距测量方法的测量系统,并且对这些设计的可行性进行了充分论证。同时,本文也对该测量方案的关键技术进行了仔细研究,对如何采集莫尔条纹图像、如何计算莫尔条纹转角和光栅栅线夹角进行了阐述,并且对实现角度计算的快速傅里叶变换(FFT)算法和极点位置改进算法进行了详细分析;针对被测镜大口径的问题,采用了扫描的方法,这样可以测量被测镜不同位置的焦距。进而,本文详细分析了系统的测量精度以及影响精度的主要因素,包括光栅周期、栅线夹角、光栅位置等系统参数的选取;另外,还讨论了影响焦距测量精度的环境因素,并重点分析了温度的影响。仿真数据显示测量误差在0.15%以内,证明了该焦距测量系统对大口径长焦距反射镜焦距有很高的测量精度。本文对4m大口径长焦距反射镜焦距测量方法进行了研究,该方法具有光路短、装置简单、精度高、易实现等特点,本文的成果对于大口径长焦距反射镜焦距测量这一领域的发展具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 研究目的及意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 大口径长焦距光学系统国内外发展现状
• 1.2.2 长焦距测量技术国内外发展现状
• 1.3 研究内容
• 第2章 大口径长焦距反射镜焦距测量方法分析
• 2.1 测量方案的制定原则
• 2.2 焦距测量方法的分析
• 2.2.1 放大率法
• 2.2.2 傅立叶频谱变换法
• 2.2.3 莫尔条纹同向法测量原理
• 2.2.4 光栅二次调焦测量焦距的方法
• 2.2.5 调焦距离法
• 2.2.6 莫尔条纹计数法
• 2.2.7 泰伯-莫尔法
• 2.3 本章小结
• 第3章 泰伯-莫尔法长焦距测量方案设计
• 3.1 长焦距测量方案设计理论
• 3.1.1 泰伯效应
• 3.1.2 莫尔条纹技术
• 3.1.3 长焦距测量原理
• 3.2 长焦距测量总体方案设计
• 3.3 测量装置
• 3.3.1 光源
• 3.3.2 扩束准直系统
• 3.3.3 散射板
• 3.3.4 图像采集装置
• 3.4 本章小结
• 第4章 测量方案关键技术研究
• 4.1 扫描测量大口径长焦距反射镜焦距
• 4.2 被测镜焦距值的计算
• 4.2.1 图像的获取
• 4.2.2 莫尔条纹的角度的精确计算
• 4.3 光栅栅线夹角的测量
• 4.3.1 测量原理与测量装置
• 4.3.2 精度分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 测量精度分析及仿真
• 5.1 光栅的选择及误差分析
• 5.2 系统参数的优化及误差分析
• 5.2.1 系统参数的优化
• 5.2.2 测量装置参数的选定
• 5.2.3 误差分析
• 5.3 外界因素对测量精度的影响
• 5.3.1 温度对焦距测量精度的影响
• 5.3.2 影响测试结果的其他因素
• 5.4 系统总误差
• 5.5 仿真验证及结果
• 5.5.1 轴上区域的测量
• 5.5.2 边缘区域的测量
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢