137单元变形镜性能测试及校正能力实验

自制了一个137单元分立促动器的连续镜面式变形镜,用于自适应光学相关技术的研究。首先,利用Zygo激光干涉仪对变形镜的静态性能进行了测试,包括面形测试、单个促动器的响应测试和耦合测试;然后,针对变形镜的校正能力,分别进行了Zernike多项式拟合和展平测试,并利用自适应光学实验平台实验验证了变形镜的校正能力;最后,利用搭建的快速响应测量平台测试了变形镜及其驱动电路的动态响应性能。测试及实验表明,137单元变形镜静态展平后的面形RMS值优于λ/50,PV值优于0.18λ（λ=632.8 nm）;能够对前7阶Zernike多项式进行较好的拟合和校正;变形镜及其高压驱动器的动态响应优于1 kHz;该变形镜能使系统的Strehl ratio从小于0.1提高到优于0.9,明显改善了系统的成像能力。     

200单元硅基单压电变形镜的设计与测试

针对天文望远镜对变形镜的需求,设计了200单元级硅基单压电变形镜并对其进行了性能测试。首先,通过有限元方法对单压电变形镜进行结构建模,分析比较了电极排列形式和边界支撑方式对变形镜性能的影响。然后,制备了3款200单元变形镜样机(环形简支,环形固支,六边形简支)。最后,利用干涉仪测量了变形镜的影响函数,并通过激光多普勒测振仪测量其频响特性。仿真与实验结果表明:致动器在50V电压下变形量可达1μm,固支条件下谐振频率在1kHz左右,对前100项Zernike像差具有良好的校正能力。该变形镜在低成本天文自适应光学系统中具有应用潜力。     

961单元自适应光学系统波前处理器

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理器在输出规模、处理速度和控制带宽方面的要求,研制了千单元级自适应光学系统.设计了一种由主控计算机、波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合,输出规模最大可达1200单元的自适应光学系统波前处理器.采用大规模逻辑器件作核心处理芯片,用多线并行流水算法缩短波前处理延时,提高系统控制带宽.对设计完成的波前处理器进行了基于961单元变形镜的开环展平实验以及基于137单元变形镜的闭环校正实验.实验结果显示:系统最高采样帧频为2000 frame/s时,波前运算延时为20.96μs,表明文中提出的硬件扩展和多路并行流水算法对于大规模自适应光学系统波前处理可行且有效.     

349单元自适应光学波前处理器

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求,本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统,该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器,报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果,实验中对模拟大气相干长度r_0为6cm,格林伍德频率为160Hz的大气湍流实现有效校正,自适应光学系统闭环后,波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600nm,后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500Hz的波前校正频率下有较高的成像质量,波前处理延时优于235μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。     

冻结大气湍流下自适应光学系统的预测校正性能

针对自适应光学系统的校正滞后问题,提出预测校正方法,并对预测校正的鲁棒性进行了分析。冻结湍流假设下,Shack-Hartmann波前传感器的探测斜率一定程度保留了湍流的时域演变模式。利用横向风信息对斜率进行傅里叶平移,能实现斜率的预测。采用直接斜率法计算变形镜面形,能实现预测校正。仿真结果表明,提出的波前预测方法在横向风已知时,几乎能完全克服延迟导致的性能损失;当横向风需要估计时,该方法在风向估计准确的条件下能容忍1倍于自身的风速估计误差,或者在风速估计准确的条件下60°的风向估计误差,均能实现校正性能的提升;在风速和风向误差同时存在时,在较大的误差范围内依然能够提升系统的校正能力。     

微变形反射镜主要性能测试研究

微变形反射镜(MEMS-DM)是用于自适应光学中波前校正的重要元件。测试实验中对37单元微变形反射镜的光学影响函数矩阵进行了推导和全面测量,从而验证了其叠加性。由光学影响函数推导出了微变形反射镜的控制电压矩阵,利用电压矩阵校正了变形镜的初始面形。最后,对微变形镜校正波前畸变能力进行了测量和评估,得出关于优化微变形镜设计相关方面的一些结论。     

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。     

相位检测法定镜自适应校正技术

为保持傅里叶变换光谱仪在动镜运动和外界震动等恶劣条件下动镜和定镜间的准直性,采用了相位检测法检测准直性误差的定镜自适应校正技术。介绍了相位检测法的基本原理和实现自适应校正的途径以及自适应校正系统的基本结构。采用高速压电倾斜镜作为驱动补偿元件,分析了相位检测精度对校正精度的影响。实验结果表明,采用自适应校正后系统干涉效率明显提高。     

自适应微反射镜阵列制作与性能测试

为了改善微反射镜存在的驱动电压高、驱动力小的缺点,基于双金属效应,制得可调焦微光学自适应阵列。以硅为基底,先后经过热氧化、光刻显影、HF酸刻蚀、KOH湿法刻蚀,溅射铝膜等微加工工艺,制得的4×4阵列,基底厚50μm,硅表面铝膜厚100nm。利用激光数字波面干涉仪对可调焦微反射镜的动态性能进行了测试。实验表明,在0~11V电压范围内,可产生最大7.91μm的连续变形。     

液晶自适应光学系统中倾斜镜的建模与控制

为了提高液晶自适应光学系统的波前探测精度,研究了该系统中倾斜镜的校正方法。分析了液晶自适应光学系统中各环节的物理特性,利用拉格朗日方程给出了倾斜镜系统模型的基本结构;采用子空间辨识方法确定了模型参数,同时利用非线性最小二乘算法对子空间模型的频域特性进行了修正。修正后模型幅频特性均方根误差为0.024 5dB,相频特性均方根误差为1.9008°。引入Smith控制策略来解决倾斜镜校正波前整体倾斜过程中的时滞问题;利用子空间辨识出的模型分别进行Smith和PID的仿真和实验验证,得到的结果与仿真计算相吻合,即在相同稳定裕度的情况下,采用Smith补偿PID算法的误差抑制带宽比传统PID算法提高了23.97%。最后,用提出的方法对一组湍流整体倾斜信号进行了校正。结果显示:采用Smith补偿PID算法的控制精度比传统PID算法提高了21.03%,证实提出的方法优化了倾斜镜的校正精度,保证了开环液晶自适应光学系统的波前探测精度。     

校正水平湍流波面的自适应光学系统的带宽需求

设计和搭建用于湍流校正的自适应光学系统时,必须考虑大气湍流波面校正所需的系统带宽。由于通常理论估计与实际的湍流情况相差很大,本文对如何进行带宽的精确测量进行了研究。通过对500 m水平距离湍流波面的大量统计,分析了湍流波面的时间功率谱密度,得出了所需要带宽(Greenwood频率)的大小,并且首次得到了带宽需求的昼夜变化规律。实验发现,所需带宽在晚上变化缓慢,围绕10～15 Hz波动;白天变化剧烈,在20～90 Hz波动。最后,通过实验确定出了功率谱密度估计所需的采样总时间为70 s,得到的实验结果为设计和搭建更加合理的自适应光学系统提供了实验依据。     

自适应光学系统中非共轭问题对波前校正的影响

在常规的自适应光学系统中,变形镜与波前传感器满足共轭位置关系以保证最好的校正效果。现基于角谱理论,通过对光场线性传输过程的仿真,分析了波前传感器偏离与变形镜共轭的位置的情况下波前校正效果所受到的影响。结果表明,波前传感器偏离共轭位置的距离增大和共轭位置波前的增大,均会导致校正效果变差。     

利用激光全息技术校正大口径光学成像系统像差

基于光学全息原理,分析了激光全息技术校正光学成像系统像差的机理和方法,建立了全息记录实验系统,用于校正口径500 mm、低质量球面反射镜光学系统对有限远物体成像时的像差。采用原光路再现的方法,通过比较像差校正前后的干涉图样和成像结果,验证了该校正方法的可行性。实验结果表明,校正后该系统剩余波像差约为λ/8。     

4m口径SiC反射镜原位检测用静压支撑系统

研制了一套用于4m SiC反射镜原位检测的静压支撑系统,以降低超大口径SiC反射镜离线检测的风险,提高其制造效率。首先,推导了单元刚度的解析式,确定了其中关键因素;然后,对支撑单元进行抽样测试,结合解析式预测了支撑群组中单元的工作刚度。最后,通过密封性测试和反射镜原位检测,验证了支撑系统的稳定性;通过有限元模拟,计算了系统的重力卸载面形精度。结果表明:5个单元连组时,单元刚度约为1.9kN/mm,刚度值分布在±3%误差区间;独立单元刚度可高至15kN/mm;3种分组单元刚度预测值分别为1.7,1.1和0.8kN/mm。支撑系统空载时管路压强变化缓慢,表明密封性良好;用该系统支撑4m反射镜时,11天内高度绝对变化量小于50μm,相对变化量小于20μm。54个单元刚度随机分布时,镜面面形高阶残差(RMS)为20nm。提出的系统基本满足原位检测的稳定性和精度要求。