SiC轻量化主镜液压whiffletree支撑系统的改进

针对2 m SiC轻量化主镜设计了液压whiffletree被动支撑系统,通过在轴向液压支撑点处并联杠杆配重机构的方式,实现了不同支撑圈上轴向支撑力的优化分配,将轴向支撑下主镜的镜面变形RMS值从7.1 nm优化到4.8 nm.针对SiC主镜热膨胀率大的特性,提出了采用具有热解耦能力的切向连杆结合液压whiffletree的侧向支撑系统,并借助于有限元法预算出主镜光轴水平状态下侧向支撑引起的镜面变形误差RMS值为39.7 nm.当温差为20 ℃时,轴向和侧向支撑结构作用下的主镜镜面变形误差RMS值仍保持在4.8 nm,验证了侧向支撑良好的热解耦能力.     

分块式空间望远镜的波前校正方法

对于同时具有可变形分块式主镜和变形镜的空间望远镜光学系统,提出一种基于小波分解的并联波前校正法.该方法根据分块式主镜和变形镜的空间校正能力不同,利用小波分析的多分辨率分析的特点按不同尺度分解波前误差,将空间频率高于主镜空间带宽的各层波前误差合并为高频波前误差由变形镜校正,余下的低频误差由主镜校正;应用MATLAB小波工具箱对并联波前校正法进行数学仿真,并与依光路顺序的串联波前校正法进行比较,结果说明基于小波解耦的并联校正法波前校正精度高于串联校正法,适用于空间望远镜光学系统.     

基于多视场波前传感的次镜位置误差检测方法

大口径分块式主镜空间对地遥感系统在轨工作时,次镜相对于主镜的位置失调会对系统像质产生影响,需对其进行在轨检测与校正。当分块式主镜无中心基准镜时,无法用传统的灵敏度矩阵反演法计算出次镜失调量。为此,提出了一种基于多视场波前传感信息计算次镜位置失调量的方法,采用ZEMAX软件建立了无中心基准的36分块式主镜空间对地遥感系统。针对该系统像差特点,利用不同视场的场依赖波前像差,建立了次镜失调量检测数学模型,开展了仿真研究,结果表明当波前传感误差为1/40（=632.8 nm）时,次镜位置失调量的检测精度X、Y方向平移约为30 nm,倾斜约为15;失调量检测动态范围X、Y方向平移为0~1.5 mm,倾斜为0~0.03。并通过多组实际仿真,验证了所提方法的可行性。     

620mm薄镜面主动光学望远镜校正实验

对620mm 口径薄镜面主动光学望远镜进行了主镜面形校正和系统波像差校正实验。主镜支撑结构由轴向36 个主动支撑点和侧向6 个被动支撑点组成, 其中轴向33 个支撑点用于主动校正,3 个作为虚拟硬点用于控制主镜空间位置;利用研制的Shack-Hartmann（S-H）传感器作为检测设备,采用最小二乘法计算校正力。实验中在对系统校正能力测试的基础上,选择了中低频Zernike 像差参与校正。通过将S-H 传感器固定在主镜曲率中心位置, 完成了主镜在不同俯仰角下的面形校正, 将初始状态约0.6RMS 校正到/12～/15RMS。而后通过平行光管发出的星点目标,对望远镜系统进行了波像差校正,使系统波像差从初始约0.65RMS 校正到约0.2RMS,分辨率由18 lp/mm 提高到45 lp/mm。     

极轴式望远镜主镜支撑结构对镜面变形的影响

根据极轴式望远镜的工作特点,以口径为700 mm的极轴式望远镜主镜室系统为例,确定了一套主镜支撑方案。借助于有限元分析软件MSC.Patran详细地建立了系统的有限元模型,选取多种工况,分析了系统在自重作用下的镜面变形情况,绘制了镜面变形误差PV值和RMS值的变化曲线。结果表明:镜面变形主要受角的影响,随着的增大而减小,径向支撑效果优于轴向支撑效果,镜面变形误差满足设计指标要求。在主镜室系统竖直放置时,利用Zygo干涉仪测得带支撑结构的镜面变形误差RMS值为28.48 nm,表明主镜在该支撑结构作用下的面形接近于加工检测时的状态,同时也验证了有限元模型的准确性。     

人眼像差校正线性二次高斯优化控制研究

为获得清晰的高分辨率人眼眼底视网膜图像,自适应光学系统中变形镜必须能够实时跟踪并补偿人眼中随时间变化的像差信息。对波前像差特别是动态像差的校正能力不仅取决于变形镜等硬件的性能,还与自适应光学系统中的控制算法密切相关。在不加大硬件复杂度的基础上,介绍了一种基于Kalman滤波的线性二次高斯(LQG)人眼像差校正最优控制模型。首先分析了自适应光学系统的离散性,证明在离散模式下研究自适应光学系统的可行性;然后建立了基于Kalman滤波的LQG优化控制模型,并给出基于LQG优化控制的像差校正控制算法;最后通过仿真实验验证了基于LQG优化控制的像差校正算法对动态人眼波前像差校正的可行性和有效性。     

大口径望远镜主镜支撑系统装调

针对1.2 m大口径望远镜主镜支撑系统,为保证主镜面形精度均方根要求,提出了一种有效的装调方法。该主镜支撑系统结合运动学原理,分别设计了Whiffletree轴向支撑和柔性切向杆侧向支撑结构,以保证其在较大温差范围内（-20~60℃）以及不同俯仰状态下（垂直-水平）始终具有较好的面形精度。机械加工误差及安装误差使柔性机构在组装过程中极易引入装配应力,明显地增大主镜表面变形。借助于有限元软件对装调过程中可能出现的误差进行仿真分析,根据结果制定装调流程,并对实际装调进行指导。完成主镜支撑系统装调后,采用补偿器和干涉仪对主镜的垂直检测及水平检测,检测出两种状态下主镜的实际面形误差分别为/42和/31（=632.8 nm）。     

基于模式投影抑制的无波前传感器双变形镜自适应光学系统解耦控制

为实现无波前传感器自适应光学系统中双变形镜的解耦控制,本文提出了一种基于模式投影抑制的双变形镜解耦控制方法,其中：低空间分辨率大行程变形镜使用模式法进行控制,用于低阶像差校正;高空间分辨率变形镜用于校正高阶像差。同时,通过投影抑制法消除高空间分辨率变形镜中的低阶校正分量,进而实现两个变形镜的高效协同工作。理论分析与仿真结果表明,相比传统的无波前传感器自适应光学系统的解耦算法,本文所提解耦控制方法在稳定性、解耦计算的运算量上均有更优异表现,并可实现良好的耦合误差抑制与像差校正效果。所提算法的有效性得到了原理性实验的验证。     

利用光场传感器重建波前相位的仿真研究

利用软件仿真对光场传感器重建波前相位的能力进行了研究。研究采用FFT算法模拟波的传播和衍射效应,利用Zernike多项式模拟像差, 根据相应的光场映射及逆光场映射理论,进行波前重建。研究了前22项单阶像差的波前相位重建情况,选取其中初级像差和二级像差的 重建结果做了比较分析,并针对复合像差的波前重建做了多组仿真实验,比较了低阶复合像差和高阶复合像差的重建误差。结果表明: 无论是单阶像差还是复合像差,光场传感器都能够重建波前相位,并且对低阶像差的相位重建效果好于高阶像差。     

角锥棱镜阵列像差仿真与实验研究

阐述了全光路像差校正自适应光学系统的工作原理,明确了全系统的校正能力受制于角锥棱镜阵列的面形像差.针对工作在0.6328μm波长的全光路像差校正自适应光学系统,从仿真的角度研究了3种角锥棱镜阵列,研究了角锥棱镜阵列的组成单元--角锥棱镜的综合角误差在2"以内时,角锥棱镜阵列的面形像差可以忽略.用WYKO干涉仪测量了实际角锥棱镜阵列内每个角锥棱镜的波像差,根据波像差计算的综合角误差,拟合了角锥棱镜阵列的面形,验证了仿真结果.     

腔镜倾斜扰动对正支共焦腔输出光束模式的影响

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的光束质量下降问题,分析了正支共焦腔腔镜倾斜扰动对调腔光模式的影响,采用等效透镜波导法计算了凹、凸腔镜倾斜失调状态下的调腔光模式分布、泽尼克(Zernike)像差系数。同时采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器方法对此进行了实验定量研究,用模式法进行了波前重构。得到了扰动量与泽尼克像差的定量关系。结果表明,凹镜倾斜扰动对腔模的影响大于凸镜,对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与腔外泽尼克倾斜系数具有良好的线性关系,若对凹、凸腔镜分别施加等量倾斜扰动,带来的腔外泽尼克倾斜系数比率约为光腔放大倍率。且腔模倾斜像差增加的同时还将导致离焦、像散等高阶像差的增大,因此作腔内相位补偿或校正时,应使补偿或校正平面尽可能靠近凹面镜;最后对实际激光束与He-Ne调腔光束的异同作了简要比较。     

扰动对非稳腔模式的影响和腔内倾斜像差校正

采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器分析了腔内扰动对无源正支共焦腔调腔光模式的影响,用模式法进行了波前复原计算。引入等量扰动,腔内凹镜对于腔模的影响大于凸镜;且对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与输出光束中查涅克(Zernike)倾斜像差系数具有较好线性关系。建立了基于哈特曼-夏克波前传感器进行腔外探测,控制腔内凹镜的低阶像差校正系统,比较了在不同腔内扰动状态下对倾斜像差的控制结果。实验表明,对于腔内扰动频率较低或者准静态的情况,控制系统对腔内倾斜像差的校正具有较好的效果。     

几种失调反射光学系统的波像差特性

为了描述失调状态下反射光学系统在整个像平面中的波像差分布特性,从而对反射光学系统进行有效的装调,对偏心和倾斜影响下的几种反射光学系统的三阶彗差和三阶像散进行了研究。首先,对失调光学系统三阶波像差的矢量形式进行了推导。然后,对失调状态下经典Cassegrain系统、Ritchey-Chrtien系统和三反射镜消像散系统三阶彗差和三阶像散的分布情况进行了分析,并且对两反射和三反射系统的装调进行了简要的讨论。使用Zernike多项式对视场中各个位置的波像差进行拟合,分离出三阶彗差和三阶像散并进行了全视场显示。理论分析与实际拟合结果一致,说明结论是正确的。     

基于力矩主动校正的反射镜支撑分析

基于力校正的主动支撑技术已广泛应用于光学镜面支撑,而基于力矩校正的方法目前还鲜有研究,为了深入探讨该课题,在传统力促动器主动支撑的基础上引入了基于力矩校正的反射镜主动支撑.首先,从镜面主动支撑原理出发,介绍了镜面面形主动校正的分类,着重对比分析了力校正和力矩校正的优缺点.进而,根据力矩主动校正的特点,利用在反射镜背部施加3组等效力矩的方法,对一块400 mm口径的轻量化反射镜进行了静力学分析与优化,拟合后镜面变形RMS值由原来的331 nm降为9.35 nm,优化率为97%.分析结果表明,基于力矩校正的主动支撑是有效的,同时为主动支撑的智能化及多样化提供了一种新的思路.     

虚共焦非稳腔腔内失调因素分析及实验研究

在腔内失调理论分析基础上，采用Hartmann?蛳Shack波前传感器实验研究了无源正支共焦非稳腔失调后输出光束像差特性，结果表明，腔内倾斜像差对光束强度分布有显著的影响，但小的腔内倾斜扰动不会使输出光束的相位分布中的高阶像差发生变化。当腔镜垂轴移动偏离光轴时，可能引起某些Zernike高阶像差，如彗差和像散的增大，但首先带来的是Zernike倾斜像差，类似于引入腔内倾斜扰动时的结果。因此在做腔内像差自适应校正时，应首先考虑腔内倾斜像差的校正。该方法为腔内像差特性的研究和像差校正提供了一定参考。     

光轴一致性误差对空间透射式系统像差和质量的影响

应用于空间光学的高精度透射式系统对光学装调有着严格的要求,微小的光轴一致性误差都将严重影响系统质量。介绍了一种通过像差分析和仿真预估指导光轴一致性装调的方法。以应用于空间光学的大口径长焦距透射式镜头为例,计算光轴一致性误差的像差特性。首先给出了光学元件偏心与系统像散、彗差以及球差的关系。然后详细分析了各不同透镜像差贡献的差异,分别计算了各元件偏心和倾斜对系统像散和彗差的影响。利用波前均方根(RMS)和光学传递函数(MTF)作为评价函数,得出各个分离透镜偏心误差对不同像差和系统成像质量的影响权重。最后在实验上对该方法进行验证,光学系统装调后实测结果满足像质要求。该方法能够为实际光学装调提供必要的参考,为高精度透射式光学系统的光轴一致性误差调整提供依据。     

High-resolution vehicle-based adaptive optical system with two-grade tip/tilt correction

The images obtained by a large optical detection system (>500 mm) are always blurred by atmospheric turbulence. To address this blurring, an adaptive optical system is urgently needed. Here, a 1.3 m vehicle-based adaptive optical system (VAOS), located on the Nasmyth focus, is investigated. A two-grade tip/tilt steering mirror is used to eliminate tracking jitter and atmospheric tipping error. Pupil matching and cooperation between the deformable mirror and the wavefront sensor are adopted to achieve high-order aberration measurement and correction via closed-loop correction and to allow the telescope to obtain high-quality imaging. For different seeing conditions and site locations, the VAOS achieves the sensing over the wavelength range from 0.5 μm to 0.7 μm using a Shack-Harmann wavefront sensor and the correction with a 97-unit deformable mirror for an imaging spectrum range from 0.7 μm to 0.9 μm. Moreover, the maximum detection capability of the system is greater than a visual magnitude of 5, and the angular imaging resolution is better than 0.3".