具备低敏感度的大型光学系统设计方法与可实现机理研究

The large-scale reflective optical system has a significant application in many fields. However its high optical sensitivity which caused by its characteristics of large aperture and long focal length will lead to the system need a high cost and a long time to accomplish the optical manufacturing and alignment process. To solve the problem of high optical sensitivity of the large-scale reflective optical system, this project will do research from three aspects: the research on the optical sensitivity mathematical theoretical model of the large-scale reflective optical system; the research on the design method of the large-scale optical system based on the desensitivity mechanism; the implementation method of the large-scale optical system with low sensitivity. We will explore the inherent law, system theory and clear mathematical model statement of the optical sensitivity of the large-scale reflective optical system; will solve the optical sensitivity problem in novel design method and ideal; will research and establish the low optical sensitivity tolerance distribution principle and method of the large-scale reflective optical system. Finally we will obtain a kind of large-scale optical system with low sensitivity by design method and process implementation research, and our research work aim to accomplish the research on the design method and realizability of the large-scale optical system with low sensitivity, and the research results will have scientific theory significance and practical application values for a series of large-scale optical instrument.

大型反射式光学系统在很多领域有着重要应用，但由于大口径、长焦距的特征，其具有较高的光学敏感度，给系统加工、装调等环节带来极高的经济与时间成本。为解决大型光学系统高敏感度的问题，该项目将从“大型反射式光学系统敏感度数学理论模型研究”、“基于降敏机理的大型光学系统设计方法研究”与“具有低敏感度的大型光学系统的实现”等三个主要方面开展研究，寻找大型光学系统敏感度问题的内在规律、系统理论和数学模式的清晰阐述；应用新的设计方法与设计理念解决大型光学系统敏感度问题；研究建立较为完整的大型光学仪器光学系统低敏感度公差的分配原则与分配方法，最终从设计方法与过程实现上研究一种具有较低敏感度的大型反射式光学系统，旨在完成具备低敏感度的大型光学系统设计方法与可实现机理研究，该研究对一系列大型光学仪器具有重要的科学理论意义与现实应用价值。

光学系统的最终性能不仅取决于光学系统理论设计性能，更重要的是取决于光学系统建造过程中对面形加工、装调位置、系统稳定性等各项误差因素的控制。对于具有大口径、长焦距特征的反射式光学系统来说，公差要求的提高将会显著增加建造的时间成本和经济成本。因此，开展具备低敏感度的大型光学系统设计方法与可实现机理研究，探究误差敏感度的影响因素及规律，寻找光学系统降敏设计方法，对光学设计具有理论指导意义，对以大型望远镜、高性能航空航天光学遥感器为代表的大口径光学系统的建造具有重要的现实应用价值。项目系统性的研究了反射式光学系统的敏感度理论与降敏设计方法：.首先以同轴两反式光学系统作为研究对象，提出了采用失调误差引起的光程变化量OPV作为光学系统误差敏感程度的评价标志，理论推导了由反射镜位置失调与面型参数失调等因素引起的光程变化量OPV的数学解析表达式，并将其与系统参数建立联系，作为降敏设计的理论依据。.提出并建立了以光程变化量OPV作为评价准则的同轴反射式光学系统降敏设计方法。设计方法从初始结构求解出发，同时考虑敏感度及工程设计约束，通过迭代优化获得满足设计指标要求、工程约束条件、同时误差敏感度较低的光学系统。以行星大气光谱望远镜(PAST)主光学系统为例给出了该方法的在工程项目中的应用，并通过光程变化量OPV与波像差改变量的关系，验证了光程变化量OPV作为敏感度评价标准的正确性和降敏设计方法的有效性。.在同轴反射式光学系统敏感度理论及降敏设计方法研究结果的基础上，开展了离轴反射式光学系统敏感度影响因素的理论分析与其降敏设计方法研究，分析了离轴量参数在反射镜位置失调与面型参数失调对敏感度中的影响，据此提出了关于离轴光学系统的降敏设计方法，并通过一个焦距为3600mm，F数为15，矩形视场为2°×1°的离轴三反光学系统设计实例，验证了设计方法的有效性。.