光瞳离轴自由曲面光学系统像差分析与空间天文应用

本文主要探讨了光瞳离轴自由曲面光学系统像差特性分析，这是在现代光学设计中一个关键的主题。研究者采用了节点像差理论，这是一种通过将复杂光学系统简化为节点位置和像差的理论，以便于理解和优化系统性能的方法。在这个框架下，作者提出了一种以泽尼克多项式作为表征函数来分析光瞳离轴自由曲面光学系统像差的新方法。 泽尼克多项式是一种经典数学工具，在光学设计中常用于描述光学表面的形状和像差，尤其是对于非球面和自由曲面的设计。通过这些多项式的展开，可以精确地描述光学系统的复杂行为，包括像散和彗差等重要像差项。文章中，作者推导了光瞳离轴自由曲面光学系统中三阶像散和彗差的解析表达式，这些表达式揭示了自由曲面如何影响像差节点的分布。 自由曲面光学系统的一个显著优势是它能改变像差节点的位置，这对于解决光瞳离轴引起的非对称像差至关重要。在本文中，通过合理选择和优化泽尼克系数，设计出一个具有25米有效焦距、2米口径和1.2°×1.2°视场的空间天文光学系统。引入自由曲面后，系统的像散和彗差节点重新回到视场内，这不仅平衡了非对称像差，还有效地控制了全视场内的点扩展函数（PSF）椭率，从而减少了星体观测时的测量误差。 系统成像质量达到了接近衍射极限的水平，这意味着它能够在较小的光斑尺寸和更宽的视场内提供高质量的图像，这对于天文观测等应用来说非常重要。这项研究不仅深化了我们对光瞳离轴自由曲面光学系统像差的理解，也为实际光学设计提供了实用的分析工具和设计策略。通过这种方式，未来的光学设备有望在保持高分辨率的同时，减少像差带来的负面影响，提升整体性能。