【摘 要】
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大口径离轴反射式空间望远镜在天文观测方面具有诸多突出优势的同时,主镜口径的增大使离轴反射式空间望远镜像质更易受失调的影响而发生退化:一方面,口径增大使得各镜面更易受振动、重力与温度变化等因素影响而发生位姿失调,且系统像质对镜面位姿失调敏感度更高;另一方面,大口径镜面易受外热流波动影响而发生曲率半径的改变。镜面失调量（各类位姿失调量与曲率半径误差）都将引入波前像差,造成像质退化。因此,有必要在轨对系
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
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大口径离轴反射式空间望远镜在天文观测方面具有诸多突出优势的同时,主镜口径的增大使离轴反射式空间望远镜像质更易受失调的影响而发生退化:一方面,口径增大使得各镜面更易受振动、重力与温度变化等因素影响而发生位姿失调,且系统像质对镜面位姿失调敏感度更高;另一方面,大口径镜面易受外热流波动影响而发生曲率半径的改变。镜面失调量（各类位姿失调量与曲率半径误差）都将引入波前像差,造成像质退化。因此,有必要在轨对系统波前进行校正（利用主动光学技术）,以恢复并维持系统像质。为降低在轨应用的工程代价,大口径反射式空间望远镜通常采用像差补偿的方式对系统像质进行校正。其中,需要选择像差补偿所需合适的可调整自由度并提出合理的补偿量解算方法。论文在矢量像差理论框架之下,从离轴反射式望远系统不同类型失调量之间像差耦合特性入手进行研究,并进一步揭示其像差补偿关系,为补偿自由度选择提供理论依据;然后,在像差补偿关系研究基础上,针对补偿量解算提出一种适合在轨应用的方法。论文将以上理论及算法应用于离轴反射式空间望远镜像差补偿特性分析、补偿量解算之中,并对相应研究结论进行了有效验证。具体来讲,论文主要研究工作包含如下内容:针对离轴反射式望远镜不同类型失调量之间像差耦合特性进行研究。离轴反射式望远镜镜面轴向失调量可产生视场常量0°像散和90°彗差,而部分横向失调量同样产生0°像散和90°彗差,二者存在耦合关系,其耦合强度主要与光瞳偏心矢量、球差系数对轴向失调的敏感度以及彗差系数相关,以新太阳望远镜（NST）为例,像散耦合比约为1:2,彗差耦合比约为1:1;当两类失调量满足特定数学关系时,有效视场中心将出现像散节点或彗差节点。镜面曲率半径误差与轴向失调产生像差的机理具有相似性,均通过影响光学系统波像差系数改变像差场分布,产生视场常量0°像散和90°彗差,二者产生像差的耦合强度主要与球差系数对两类误差的敏感度相关,以NST为例,像散耦合比约为1:2,彗差耦合比约为1:2。针对离轴反射式望远镜不同失调量之间的像差补偿关系进行研究。离轴反射式望远镜横向失调量能够补偿轴向失调产生的视场常量0°像散或90°彗差,由于两者产生像散、彗差的耦合比不同,补偿彗差场所需调整量约为补偿像散场所需调整量的2倍,补偿后系统存在残余像差,且需要通过调焦镜补偿离焦像差,以600 mm口径离轴三反消像散（TMA）为例,轴向失调在±0.1 mm范围内时,补偿残差优于0.02λ;而轴向失调量难以引入视场常量45°像散和0°彗差,导致其不能补偿由部分横向失调量（沿x方向偏心或绕y轴倾斜）所产生像差。离轴反射式望远镜存在曲率半径误差时,在地面装调阶段,通过调整主镜轴向位姿进行补偿,且所需调整量为曲率半径误差的一半,当主镜曲率半径误差在±1 mm范围内时,补偿残差优于0.003λ;在轨调校阶段,通过调整次镜轴向位姿进行补偿,并根据全视场波像差最优确定次镜调整量,其中,由于像差耦合比差异增大导致补偿范围缩小,当主镜曲率半径误差在±0.2 mm范围内时,补偿残差优于0.005λ。提出了一种基于任意视场位置处恒星点斑图像特征匹配的补偿量计算方法。基于矢量像差理论与傅里叶光学理论,建立补偿系统波像差所需调整量与任意视场位置处恒星点斑灰度图像特征之间的映射关系,以任意多视场实际图像特征向量和建模图像特征向量之间空间距离最小为目标函数,将补偿量求解转化为以其为自变量的最优化问题。以600 mm口径离轴TMA为例,且考虑噪声（峰值信噪比30 d B）,1%执行机构误差情况下,补偿后系统补偿残差优于0.02λ。本方法计算量小,对点斑图像所处的视场位置没有限制,适合在轨进行补偿量的计算。本论文对于离轴反射式空间望远镜像差场特性分析及像差场校正具有一定的指导意义与参考价值。
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