相位诱导振幅切趾型星冕仪的衍射成像特性研究

论文摘要

系外行星探测是目前天文学领域最热门的研究方向之一。相位诱导振幅切趾（Phase Induced Amplitude Apodization,简称PIAA）型星冕仪具有工作谱段宽、通光效率高、内工作角小等优点,已逐渐成为最具有应用前景的星冕仪类型之一,在系外行星直接探测方面具有重要的应用价值。本论文重点开展了对PIAA系统衍射成像特性、误差传递特性的计算与分析方法,为下一步开展实验研究工作奠定基础。主要研究内容如下:1)研究基于几何光学原理的PIAA系统设计流程,给出了切趾函数的确定原则、混合切趾参数的选取以及由切趾函数得到投影函数、由投影函数得到面型函数与位置的方法,并分析了PIAA系统的非线性投影作用产生的轴外视场光线产生倾角变化。2)研究了PIAA系统衍射成像特性的计算方法,包括基于Huygens衍射原理的Huygens近似法、S-Huygens近似法和二阶Fresnel近似法,基于平面波角谱理论的数值计算方法,以及基于边界衍射波理论的解析计算方法。通过数值计算分析了几种方法的计算效率和精度,并分析了混合切趾、扩大M1口径和预切趾设计对于降低衍射效应的作用,证明了通过恰当的参数选取可以大幅度改善PIAA系统成像性能,使之基本达到几何光学预示水平。3)给出了PIAA系统误差传递特性的几种计算方法,包括适用于Zernike多项式形式波前误差的S-Huygens近似计算法、适用于频率误差的角谱法和基于边界衍射波理论的普适方法。基于频率误差的传递理论,分析了采用主动光学手段校正误差的可行性。通过出瞳或出瞳附近位置的相位主动变化,可以在最多一半视场范围内校正到良好成像质量。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 系外行星探测的发展现状
•   1.2 系外行星直接探测技术
•     1.2.1 外掩式星冕仪
•     1.2.2 内掩式星冕仪
•   1.3 本文主要研究内容
• 第2章 相位诱导振幅切趾系统的设计方法
•   2.1 基于几何光学原理的相位诱导振幅切趾系统设计
•     2.1.1 切趾函数选取
•     2.1.2 切趾镜面型函数确定
•     2.1.3 设计实例
•   2.2 局部放大率和角放大率
•   2.3 混合式相位诱导振幅切趾系统设计
•     2.3.1 最大曲率与切趾函数的关系
•     2.3.2 混合式PIAA系统设计方法
•     2.3.3 角放大率
•   2.4 本章小结
• 第3章 基于Huygens原理的衍射成像特性计算
•   3.1 Huygens原理与Fresnel近似
•   3.2 更高精度的衍射计算方法
•     3.2.1 Huygens近似
•     3.2.2 S-Huygens近似
•     3.2.3 二阶菲涅尔近似
•     3.2.4 角谱法
•     3.2.5 四种方法计算结果的比较
•   3.3 降低衍射效应的设计
•   3.4 本章小结
• 第4章 基于边界衍射波理论的成像特性计算
•   4.1 基于边界衍射波理论的计算方法
•     4.1.1 边界衍射波理论的基本原理
•     4.1.2 适用于相位诱导振幅切趾系统的边界衍射波公式
•     4.1.3 边界积分与Huygens原理的等价性
•   4.2 边界衍射波公式的稳相点近似
•     4.2.1 稳相点近似的原理
•     4.2.2 出瞳光场的数值模拟
•   4.3 复色光入射时的衍射成像特性
•   4.4 预切趾方法降低衍射效应
•   4.5 本章小结
• 第5章 相位诱导振幅切趾系统的误差传递特性
•   5.1 基于S-Huygens原理的波前误差传递计算
•     5.1.1 相位诱导振幅切趾系统中的误差来源和形式
•     5.1.2 泽尼克多项式形式的波前误差传播规律
•   5.2 基于边界衍射波理论的误差传递计算
•   5.3 低阶Zernike多项式形式误差对成像特性的影响
•     5.3.1 球差
•     5.3.2 倾斜
•     5.3.3 离焦、像散与彗差
•     5.3.4 出瞳位置误差的影响分析
•   5.4 频率误差的传递特性
•     5.4.1 误差的频率域分解
•     5.4.2 频率误差的传递
•     5.4.3 频率折叠效应
•   5.5 主动光学校正的可行性分析
•     5.5.1 变形镜在相位诱导振幅切趾星冕仪中的布局位置
•     5.5.2 变形镜的校正作用分析
•   5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 论文主要创新点
•   6.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王维

导师: 张新

关键词: 系外行星探测,星冕仪,相位诱导振幅切趾,高对比度成像

来源: 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)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 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)

分类号: P111

总页数: 145

文件大小: 8633K

下载量: 94