拼接镜主动光学共相实验

考虑拼接望远镜子镜之间保持共相位可使拼接镜达到衍射极限,本文建立了一套主动光学实验系统来测量和调整拼接镜子镜之间的相位差和精度以实现子镜之间的共相位。拼接镜由3块正六边形球面子镜组成,子镜对边长为300mm,曲率半径为2000mm。首先,使用Shack-Hartmann传感器和高精度微位移平移台使子镜之间精确共焦,使用球径仪调整子镜之间的高度差到微米量级;然后,运用白光斐索干涉原理对子镜高度差进行调整;最后,运用子孔径衍射原理测量子镜之间的高度差,并调整使其共相位。为了验证标定效果,对光纤光束进行了成像实验,受光纤直径的限制,拼接镜上用于成像的口径为100mm。实验结果显示,白光斐索干涉的测量精度优于100nm,子孔径衍射的测量精度优于16nm,共相位标定后,系统能够实现衍射极限成像,表明提出的方法适用于拼接望远镜的共相位标定。     

拼接镜主动光学面形控制的研究

为了实现对拼接式望远镜各子镜的主动控制,建立了正六边形子镜拼接的面形控制方程。研究了传感器的安装位置对面形控制的影响。首先,根据子镜之间相对位置的测量要求确定了主动控制所采取的方式。接着,建立了由3个正六边形子镜组成的拼接镜的面形控制方程,并分析了传感器的安装位置对面形控制的影响,提出了传感器沿垂直镜缝方向错位安装的方法。最后,分析了该方法对于拼接子镜扩展的适用性。分析表明,对于边长0.9m,对角线长1.8m的子镜,传感器错开0.02m安装就能够准确检测子镜之间的位置变化,并给出了正确的促动器调整信息。能够满足拼接镜主动面形实时、高精度控制等要求。     

拼接镜的主动光学面形控制

为了实现对拼接式望远镜各子镜的主动控制,建立了正六边形子镜拼接的面形控制方程,并研究了传感器的安装位置对面形控制的影响.根据子镜之间相对位置的测量要求确定了主动控制所采取的方式,建立了由3个正六边形子镜组成的拼接镜的面形控制方程,并分析了传感器的安装位置对面形控制的影响.提出了传感器沿垂直镜缝方向错位安装的方法,分析了该方法对于拼接子镜扩展的适用性.分析表明,对于边长0.9 m,对角线长1.8 m的子镜,传感器错开0.02 m安装即能够准确检测子镜之间的位置变化;给出了正确的促动器调整信息,满足了拼接镜主动面形实时、高精度控制等要求.     

拼接式反射镜共焦误差检测

基于传统的夏克-哈特曼波前传感技术,针对实验室现阶段所拥有的合成孔径望远镜系统设计了一套共焦检测系统,用于对合成孔径系统的拼接主镜进行倾斜量误差检测。由于受实验平台振动和实验环境气流扰动等因素的影响,导致检测系统的夏克-哈特曼光斑质心阵列做无规则的抖动,检测系统难以实现高精度共焦。针对该问题提出采用连续帧频数据采样叠加滤波处理的方法来克服实验环境因素的影响;将采集的连续帧频数据逐帧处理,相互叠加,分析光斑质心分布规律,通过构建光斑分布图样最小外接矩形获取光斑质心位置,从而有效的提高了共焦检测系统的准确度。实验表明中心镜沿x与y方向的倾斜量误差数据的标准差分别从0.0297与0.0092降到了6.0×10^-5与5.1614×10^-4。最终光斑质心数据的稳定性得到了不止一个量级的提升,良好的克服了因实验环境因素导致检测系统精度损失的问题,同时也验证了共焦检测系统方案的可行性。     

球面拼接的相对曲率半径测量

拼接镜面加工制造的最大难题是匹配各子镜,即使各子镜的曲率半径完全匹配,使其能够等效成一个单一的主镜,对于球面拼接镜,就是要求各子镜的曲率半径相同。本文提出了一种使用Shack-Hartmann传感器和高精度球径仪对球面子镜的相对曲率半径进行测量的新方法,并建立了一个实验系统。该方法先使用共焦调整方法使各子镜共焦,然后再用S-H传感器测量子镜的轴向离焦量,轴向调整压电陶瓷促动器,使由传感器测得的离焦量接近于0,最后对子镜进行一次共焦调整之后,就可以使用高精度球径仪测量出各子镜之间的相对曲率半径差。实验中,拼接镜由三块对边长300mm的正六边形子镜组成,子镜面形为球面,设计曲率半径为2000mm。分析及实验表明,该方法测得的球面拼接子镜的相对曲率半径差精度约为 ,方法适用于大型球面拼接镜面望远镜各子镜相对曲率半径的检测。     

激光共焦扫描显微镜的光学特性研究

研究了最新发展的激光头焦扫描显微镜的下述光学特性：分辨本领及像的反差，层析分析原理及三维构像。还给出激光共焦扫描显微镜的基本光学系统及其光路按排。     

光谱共焦位移传感器镜头设计研究

光谱共焦位移传感器是一种高精度、非接触式位移传感器。本文讨论了光谱共焦法用于位移测量的基本原理,用Zemax光学设计软件完成了一个镜头组的设计,并给出了光谱共焦位移传感器镜头组的设计方法以及像差分析。该镜头组采用密接透镜结构,工作波段为486.13nm-656.27nm,测量范围约为91μm,轴向响应FWHM优于5μm。通过线性回归分析得出波长与位移间判定系数为0.99523,在测量范围内,位移与波长间的线性关系较好。     

激光扫描共焦显微镜技术的应用

本文介绍了激光扫描共焦显微镜的组成原理及功能特点,并较全面概括地介绍了其在生物医学中的重要应用。     

光谱共焦显微镜的线性色散物镜设计

由于色散物镜轴向色散与波长间的非线性会导致仪器整体性能下降,本文研究了光学系统轴向色散与透镜组之间的关系,推导了轴向色散的传递公式.为得到较大的线性轴向色散,根据轴向色散的传递公式提出了一种正负透镜组均采用线性色散光焦度组合且正负透镜组分离的镜头结构.光学优化设计表明,具有正负透镜分离结构的色散物镜可以得到低的球差和大的轴向色散,而且具有较大的工作距离.设计的色散物镜在430～710 nm得到了1 mm的轴向色散,轴向色散与波长之间的相对非线性度为4.6％,灵敏度的波动量小于整体的1/3,优于之前的研究.采用所设计的色散物镜,光谱共焦显微镜能够得到优于0.3 μm的轴向分辨率和优于5 μm的横向分辨率,满足精密测量的需求.     

利用狭缝的共焦测量系统

提出了利用狭缝进行三维轮廓测量的共焦测量方法,应用数字图像处理的方法解决了测量中的有效点标定问题,并通过硬币图案花纹的测量对该方法进行了验证.     

Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差,且表面粗糙度较大、反射率较低,采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题,提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜.研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件.为了验证该方法的可行性,对已经加工完成的350 mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测,测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=632.8 nm);与干涉测量的标准结果进行了对比,得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0.014λ和0.001λ.对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠,从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性.     

子孔径合成光学成像系统像质评价研究

子孔径合成光学成像系统的出瞳波前是离散的,需要同时引入波象差和衍射光学理论,拟合最佳高斯参考球面,计算出瞳波前和波象差,并通过对像面的衍射积分,评估系统像质。对比了两种像质评估的方法,其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参数拟合Zernike多项式衍射直接积分法计算像面复振幅分布,其二是对子出瞳波面衍射直接积分在像面的复振幅的叠加。设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统,在此基础上用ZYGO GPI XP干涉仪验证并对比了使用两种方法的对像质计算的特点。结果表明,子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高,但计算量大;在衍射限附近,前者的拟合精度也能满足像质的定性评估要求,且计算量较小。     

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。     

一种基于灰度直方图原理的Shack-Hartmann波前传感器图像自适应阈值的选取方法

Shack-Hartmann波前传感器光斑图像阈值的选取对质心探测精度有较大的影响。本文结合Shack-Hartmann波前传感器光斑图像的特点,提出了一种基于灰度直方图原理的多峰法自适应阈值选取方法。实验结果表明,对于信噪比大于4的Shack-Hartmann波前传感器光斑图像,本方法能够比较有效的自动选取每帧图像的阈值。     

应用在拼接镜面中的电容位移传感器的结构性误差分析及校正

分析了子镜运动和电容传感器极板运动之间的理论关系并探讨了电容位移传感器读数的"结构性"误差的处理方法。基于电容位移传感器的工作原理,对极板为圆形的电容位移传感器提出了采用以位移的测量值和子镜转角为自变量的多项式拟合的校正方法。计算表明该误差处理和校正方法是简洁可行的。对于转角的拟合只需2阶,同时位移测量值只需4阶的多项式进行拟合即可使输出位移达到3 nm的精度。进一步分析表明,直接使用位移传感器读数计算极板转角,并对误差的主动校正控制非常有利于该多项式拟合,可一次性达到优于5 nm的校正误差,完全满足拼接镜面主动光学工程应用的技术要求。