基于自由曲面矢量像差校正的大口径大视场天文光学系统设计模型研究

In order to solve scientific problems related to system of large aperture astronomical optical system with large field of view, weak aberration correction ability, this subject is based on the vector aberration theory, to study the design and implementation of model of large diameter and wide field optical system using freeform surface. This paper first conducts the research to the scalar aberration theory, refining the lack of large aperture and wide field optical system aberration correction, extended vector aberration theory; then, to carry out the research on optical system design on free surface, with the vector of aberration theory, establish the vector aberration free surface design model; and then, it uses the vector aberration design model to correct the aberration of large aperture and wide field optical system; finally, based on the existing wide field system, it designs small diameter free-form surface, which experiment the validity with image quality evaluation of the design model of the subject. This paper tries to solve some problems such as the numerous elements, long development cycle and higher development costs, etc. The research content is suitable for the optical systems of all types, with a strong innovation.

为了解决大口径大视场天文光学系统中系统形式复杂、像差校正能力弱等科学问题，本课题以矢量像差理论为基础，对利用自由曲面实现大口径大视场光学系统像差校正的设计模型展开研究。本课题首先对标量像差理论进行研究，提炼其对大口径大视场光学系统像差校正的不足，引申出矢量像差理论；然后，对自由曲面的光学系统设计开展研究，结合适量像差理论，建立自由曲面矢量像差设计模型；利用矢量像差设计模型，对大口径大视场光学系统进行设计与像差校正；最后，基于现有的大视场光学系统平台，设计小口径自由曲面，对本课题的设计模型进行实验验证与像质评价。本课题力图解决大口径大视场天文光学系统中光学元件数量多、研制周期长、研制成本高等相关问题，其研究内容适用于所有类型的光学系统，具有较强的创新性。

基于自由曲面矢量像差校正的大口径大视场天文光学系统设计模型研究，其研究背景是基于我国亟需建设的大口径大视场光学望远镜，该望远镜具有大口径(≥4m)、大相对孔径(≥1：1.5)和大视场（≥3.5°）的特点，因此存在巨大且难以校正的球差、慧差、像散、场曲和二级光谱等光学像差。对这类大型光学望远镜，国外普遍采用的光学形式是主焦点形式和梅森-施密特形式，前者由一片主反射镜和多片透射校正镜组成，后者由三片高次非球面反射镜和多片透射校正镜组成。自由曲面不仅能够大幅提高这两种光学系统的像差校正能力，还能减少光学元件的数量，提升系统的探测能力。项目主要研究内容包括以下几点：.（1）自由曲面矢量像差理论的建立与分析.首先利用传统主焦点形式设计了3.6m口径的大视场光学系统，并对其像差特性进行了分析，根据不同的像差灵敏度特性，建立了以多项式为基础的自由曲面表征函数。.（2）自由曲面校正大口径大视场天文光学系统像差的设计..在传统主焦点形式的基础上，对基于多项式自由曲面表征模型的校正元件的位置进行了设计、比较和分析，确认了靠近像面的最后一片作为自由曲面，对光学系统的残存像差进行校正、平衡和优化，并结合Zernike多项式和赛德尔多项式进行了像差的对应性分析，最终实现了自由曲面对大口径大视场光学系统像差的最优校正。.（3）自由曲面设计像质评价与比较分析.针对基于自由曲面校正的大口径大视场天文光学系统，利用点列图、点扩散函数、能量集中、调制传递函数和相对照度进行了成像质量的评价，并与未加入自由曲面校正前的光学系统成像质量进行比较和分析，已验证本项目的研究目的。.项目的重要结果和关键数据主要体现在以下几个方面：.（1）.实现了基于自由曲面矢量像差模型的4m级大视场光学系统设计，并将像差的校正提升了5倍以上；.（2）.将光学系统中透射校正镜的数量由7片减少为5片，简化了光学系统，同时提升了光学效率和探测能力。