TMC系统主镜的平板补偿自准检验方法

针对TMC(三镜卡塞格林)光学系统凹椭球面主镜的检验,本文提出了一种平板补偿的自准检验方法.该方法克服了OFFENER零位补偿器本身性能难以检验,只能靠加工和装调保证精度的问题.针对TMC主镜面形与抛物面接近的特点,对平板补偿的自准检验方案进行了理论分析,利用二次非球面的法线像差性质推导了检验光路中球差的表达式,并利用最小剩余球差进行补偿平板参数的确定.对某TMC系统顶点曲率1 589mm,二次系数-0.983,口径φ500 mm的主镜检验,设计了尺寸仅为φ34.2 min×9.126 5 mm的补偿平板.在ZEMAX中计算的结果表明,经平板补偿后的检验光路波像差RMS值为0.003λ,可满足TMC主镜的高精度检验要求.对补偿平板的检验方法,以及加工和使用中应当采取的措施也进行了考虑.与常用检验方法相比,本文方法具有容易对平板性能进行检验,成本低、研制周期短等优点.     

补偿器优化设计法线模拟反射面的确定

补偿器是大口径非球面主镜补偿检验的关键元件。随着主镜口径和相对口径的增大,由于高阶像差的影响,补偿器的优化结果与初始结构偏离也相应增大,此时若能用法线模拟反射面代替主镜,将检验时的自准光路简化为单次通过补偿器的光路,则优化过程将大大简化,且易获得好的补偿效果。用法线模拟反射面代替主镜时,光源位于主镜顶点曲率中心,模拟面的系数由主镜参数决定。设计结果表明,这种模拟面对F/1的主镜法线都有很好的符合精度。     

自适应光学系统中变形镜和波前传感器共轭位置要求的分析

通过对几何光学和物理光学模型的数值计算,分析了自适应光学系统中小像差畸变波前在空间自由传播时自身的变化情况,进而给出了系统中对变形镜和波前探测器与被校正瞳面之间共轭位置关系的要求和允许范围.结果表明,波前自由传播时的变化程度决定于像差自身的类型和大小、光束的口径以及传播的距离,大口径小像差波前近距离传播时波前变化误差很小.一般来说,变形镜和波前传感器偏离被校正瞳面共轭位置距离满足菲涅尔数大于1000时,对系统校正效果的影响可以忽略.实际应用中,应该根据校正对象的特征来具体计算波前误差随传播距离的变化,从而设计波前传感器和变形镜的位置,以及选择使用4F光学系统.本文的分析可以为自适应光学系统的整体光路设计提供一定理论参考.     

非球面系统的波差法光学设计

采用波差法进行非球面系统的光学设计,非球面用于常规光学系统可以提供附加设计参数和选择光学材料的自由度。本文主要研究了用波像差推导了非球面元件的初级象差,分析了产生差别的物理实质。给出一、三级成像特性与色差公式,波差法基于球差与波差的联系,并进行波差与结构参数之间的推导得出方程式,可解析求解满足初级象差平衡的光学系统的初始结构参数,用ZEMAX校正可以得到满意的结果,采用波差法进行非球面光学系统的光学设计简单易行,且设计的物镜质量高,成本低。     

折叠式激光投影光刻物镜的设计研究

针对大面积、高产量和节约型印制电路板(PCB)生产使用的激光投影光刻机,利用ZEMAX工程光学设计软件,对其投影系统进行了模拟设计与优化,并对优化后的结果进行了分析.对于设计的激光投影系统,其特征尺寸分辨力达到了9μm,全视场波像差小于λ/4,畸变小于0.000007%,这些指标符合实际要求.     

空间光通信综合参数测试用双通道望远系统

提出一种用于空间激光通信综合参数测试的双通道望远系统,长焦通道满足端机远场分布等参数的测量,无焦望远通道可用于跟瞄性能测量。分析了空间激光通信端机远场分布及跟瞄性能测试的原理,设计了一套双通道望远系统装置,该装置光学系统可分别构成离轴卡塞格林系统或离轴三镜无焦望远系统,工作谱段为800～1700nm,通光孔径为300mm。完成了系统的研制和装调,并进行了性能检测,结果表明,长焦通道波像差为0.097λ(λ=632.8nm),无焦通道波像差为0.048λ,均满足设计指标要求。     

凸非球面补偿检验的工艺球面分析解

本文从三级像差理论出发,推导了几种工艺球面检验凸二次曲面的计算公式。根据这些公式计算结果,进行了光路追迹,给出了这些公式对凸二次曲面的补偿范围;并讨论了几种特殊情况下的平面解。     

补偿器设计中鬼像定量仿真分析

针对定性分析方法无法彻底避免鬼像影响检测的现象,在理论分析的基础之上,提出补偿器鬼像定量仿真分析方法.借助光学分析软件,在设计阶段彻底避免鬼像影响检测,并结合实例,说明定性分析方法的局限性,验证定量仿真分析方法的有效性.该分析方法为补偿器的设计分析提供定量分析方法,提高了补偿器研制的成品率,提高了补偿检验精度,对高精度补偿检验技术具有重要意义.     

微型紫外光纤光谱仪的光学系统设计及性能检测

采用非对称交叉的切尼尔-特纳(C-T)光路结构,设计了一种微型紫外光纤光谱仪的光学系统.用ZEMAX对光路进行仿真、像质评价和优化,对各类像差进行校正.同时,对不同狭缝尺寸和光栅常数的光谱仪理论分辨率进行了分析.当采用30μm狭缝和1 800线/mm光栅时,模拟光学系统在180~270nm光谱范围内整体分辨率优于0.5nm,在180nm附近最高分辨率达到0.1nm.最后,基于该光学设计研制了一台光谱仪样机,在使用交流电弧激发金属纯铁样品的条件下,对原子发射光谱进行了检测.     

全光路像差校正自适应光学系统中共模波前传感器标定方法研究

根据光波在介质中的传播规律,首先详细分析了全光路像差校正自适应光学系统的工作原理,然后对常规方法标定共模波前传感器后的系统校正残余误差作了分析,并从校正残余误差和操作的简易程度两个方面分析了常规方法标定共模波前传感器存在的缺点,最后针对全光路像差校正自适应光学系统的特点,提出了两种新的共模波前传感器标定方法,详细推导了两种方法标定共模波前传感器后全系统的校正残余误差.结果显示,两种方法标定共模波前传感器后,其校正残余误差只与常规方法标定共模波前传感器后系统的校正残余误差中的一种误差有关.     

环形阵列微变形镜两种设计准则的分析比较

在波前校正中,环形阵列的分立式微变形镜充分利用了各个单元。环形阵列的分立式微变形镜有等单元面积和等单元宽度两种设计准则,以37单元环形阵列微变形镜为例,从校正波前适配误差和校正后剩余波前的Strehl比两方面对两种设计准则进行比较。结果表明,采用等单元面积设计的环形微变形镜校正畸变波前的性能更好。特别是波前畸变严重时,这种效果更加明显。     

太阳能收集和传输的研究

对高精度太阳能抛物面镜收集器和大孔径低损耗PMMA／Ag泄漏型空芯光纤进行了设计与研究，安装在收集器上的光电追踪器保证了入射光线聚焦在抛物面轴上，有利于聚焦光斑有效地传输到空芯光纤内。与传统的太阳能利用装置相比较，本装置不需要进行能量转换，因此效率高，结构简单，可以实现聚焦后太阳能的远距离高效传输。     

弱光61单元自适应光学系统的控制优化

在自适应光学系统中,波前校正残误差主要由未完全补偿湍流所引起的误差和系统闭环噪声组成。基于一阶比例－积分控制器分析了弱光６１单元适应光学系统的控制特性。在此基础上风云地非Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ湍流情况,提出一种根据实际测量的大气湍流波前扰动功率谱来确定系统,针对非Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ湍流情况,提出一根据实际测量的大气湍流波前扰动功率谱来确定系统最优控制带宽的新方法。应用这种方法对弱光６１单元自适应光     

剪切干涉仪光子计数法动态波前探测

实时动态波前探测技术是自适应光学系统最重要的单元技术之一。本文报导了在弱光条件下,利用动态剪切干涉仪和光子计数法进行弱光波前误差探测的实验。叙述了波前探测装置的原理,讨论了相位测量的主要误差源。实验结果表明,在每一探测周期内,仅有几十到一百个光电子脉冲的情况下,可获得波前信息。     

子孔径拼接干涉检测大口径平面波前

介绍了子孔径拼接检测平面波前的基本原理,提出了基于均化误差和最小二乘法的多个子孔径同时拼接的数据处理方法,有效减小了误差传递和积累.用该方法对Zemax仿真的望远镜光学系统进行了子孔径拼接检测,拼接光学系统波前和直接用Zemax得到的全孔径波前对比,其峰谷值(PV)和均方根(RMS)的偏差分别为0.015 1λ和0.0016λ.并用口径为100 mm的小口径干涉仪对口径为200 mm的平面镜进行了拼接实验,将其全孔径波前与直接检测的结果对比,其峰谷值(PV)和均方根(RMS)的偏差分别为0.055 9λ和0.0004λ.实验结果表明了该算法的有效性,该方法不仅适用于检测光学元件,也适用于对光学系统平面波前检测.     

Geometric propagation of an axially symmetric optical wavefront in a homogeneous medium

We obtain a Taylor series neighbor expansion that allows the geometric propagation of an axially symmetric wavefront in such a way that the change in shape of the wavefront is determined as an explicit function of coordinates. We then apply the expansion to the propagation of conicoids in particular. The theory is applied to the propagation of a general conicoidal, a spherical, and a paraboloidal wavefront. Application of the theory to the general conicoid leads to a proof of the invariance of the product of radius of curvature and conic constant for short propagation distances in homogeneous media. For the case of the spherical wavefront, the intuitive result is obtained (i.e. the wavefront remains spherical).     

基于MEMS技术的自适应光学系统的研究

用自适应光学系统来校正由大气湍流等产生的波前畸变,能够得到很好的效果.通过对自适应光学系统的工作原理进行研究,提出了一种基于MEMS技术的微小型自适应光学系统校正波前畸变的方法,将MEMS技术应用于变形反射镜,并构建了具体的实验平台,用来校正一种人为产生的波前畸变,且阐述了具体的实验过程.实验结果表明,基于MEMS技术的自适应光学系统能够很好地闭环校正波前畸变,且其体积小、质量轻、校正性能稳定,为自适应光学技术在星载相机上的应用提供了依据.     

Optical control of the Advanced Technology Solar Telescope

The Advanced Technology Solar Telescope (ATST) is an off-axis Gregorian astronomical telescope design. The ATST is expected to be subject to thermal and gravitational effects that result in misalignments of its mirrors and warping of its primary mirror. These effects require active, closed-loop correction to maintain its as-designed diffraction-limited optical performance. The simulation and modeling of the ATST with a closed-loop correction strategy are presented. The correction strategy is derived from the linear mathematical properties of two Jacobian, or influence, matrices that map the ATST rigid-body (RB) misalignments and primary mirror figure errors to wavefront sensor (WFS) measurements. The two Jacobian matrices also quantify the sensitivities of the ATST to RB and primary mirror figure perturbations. The modeled active correction strategy results in a decrease of the rms wavefront error averaged over the field of view (FOV) from 500 to 19 nm, subject to 10 nm rms WFS noise. This result is obtained utilizing nine WFSs distributed in the FOV with a 300 nm rms astigmatism figure error on the primary mirror. Correction of the ATST RB perturbations is demonstrated for an optimum subset of three WFSs with corrections improving the ATST rms wavefront error from 340 to 17.8 nm. In addition to the active correction of the ATST, an analytically robust sensitivity analysis that can be generally extended to a wider class of optical systems is presented.     

Wavefront correction with high-order curvature adaptive optics systems

We demonstrate the existence of higher-order curvature adaptive optics (AO) systems and compare their performance with the current 85-element system being built at the Institute for Astronomy at the University of Hawaii. Simulation results show that systems with in excess of 500 actuators are possible with actuator patterns that are simple extensions of the 85-element design. The attenuation of residual phase error within the Nyquist frequency of the deformable mirror (DM) satisfies the (-5/6) power law. A high-order system is also analyzed in which the pattern of wavefront sensor is synthesized from square pixels and the curvature actuators of the DM are also rectangular. The Strehl performance is approximately 2% worse than its annular analog.