结构函数在大口径光学系统评价中的应用

为了降低大口径望远镜在研制和使用过程中的技术风险,将从结构函数的角度对大口径望远镜光机系统评价方法进行分析和研究.首先通过理论计算得出结构函数与光机系统评价的常用指标斯特利尔比以及系统波像差均方根的关系,并对于结构函数的具体求解方法进行了讨论;然后对于低阶Zernike项对应的系统低频波像差以及Kolmogorov谱反演代表的高频系统波像差进行了分析,得出结构函数在不同的评价尺度下系统斯特利尔比的变化趋势.由于大气相干长度与系统结构函数有直接关系,且直接影响到大口径光学系统的使用效果,最后基于极大似然估计提出了一种大气相干长度估计方法.     

基于dOTF的大口径透射光学元件检测技术

为了保证在重力变化下大口径巡天望远镜透镜组的成像质量,需要研究一种可以适用于大口径透镜组的波前检测方法,用于实现系统装调检测。首先,基于差分光学传递函数（differential optical transfer function,dOTF）建立了一套波前对准检测技术,在此基础上,分析了运算过程中相位解缠,CCD探测噪声以及大气扰动对检测算法造成的误差影响,结果表明检测误差分别小于10%、1%和2.5%,经过叠加可得整体的测量精度约为10.3%,满足一般大口径大视场检测系统设计指标。最后针对80 mm的透射式系统进行验证,由实验结果得到波前检测主要成分为彗差,与理论分析结果一致,符合几何光学预测结果。     

基于结构函数的子孔径拼接算法研究

为了更好地评价大口径反射光学元件在不同尺度下的起伏情况,提出了一种基于结构函数的子孔径拼接算法.首先,对于算法的基本原理与步骤进行了描述,从理论分析的角度对于计算误差的特性进行了分析;之后针对口径为1.23 m的大型反射镜面形数据,应用文中所提出的方法,利用结构函数进行子孔径拼接并对于其误差特性进行了检验,验证了所提出方法的可行性.最后,将该方法应用于30 m望远镜三镜(TMT M3)的面形仿真数据,得到了其在不同评价尺度下的起伏情况.文中的工作对于TMT M3 的最后完成有着重要的意义,并且对于与TMT M3 类似的大口径平面镜面形评价有着一定指导价值.     

自适应光学系统误差分析与参数优化研究

影响大口径地基自适应光学望远镜成像的因素很多,为获得近衍射极限的高分辨力成像效果,需要对系统的关键参数进行优化.本文分析了影响地基光学望远镜成像的误差源,建立合理的误差评价模型.并利用仿真的方法对该模型进行了验证,并对湍流条件、望远镜口径、采样频率、变形镜驱动器间距、导星等关键参数进行了优化分析.与仿真结果对比表明:误...     

基于串联机械臂的稀疏孔径望远镜装调

为了更好地对稀疏孔径大口径望远镜进行装调,利用旋量理论对串联机械臂在系统装调中的应用进行了研究。首先,利用旋量理论分析了串联机械臂进行稀疏孔径望远镜装调的基本原理。其次,结合旋量理论与基本的几何关系分析了稀疏孔径望远镜装调原理,并对子孔径测量过程进行了误差分析。之后,对串联机械臂携带点光源显微镜（PSM）进行装调的可行性进行了分析与实验,证明了处于串联机械臂携带状态的点光源显微镜与位于实验室环境下像点稳定性相近。最后,分析了串联机械臂结合点光源显微镜在大口径稀疏孔径望远镜装调检测中的应用。     

Slope RMS在三镜支撑设计与面形评价中的应用

针对镜面面形均方根（RMS）无法反映表面面形的空间频域特性,借鉴了国际上先进的斜率均方根（Slope RMS）作为面形评价方法。本文以2 m级望远镜三镜作为例子,将Slope RMS作为优化目标函数,计算了支撑点的位置,给出的支撑之后面形误差RMS值为6.88 nm,在空间间隔为0.25 mm时的Slope RMS值为0.17809 μrad。利用Zernike多项式作为面形拟合基底函数,将对成像质量没有影响的刚体位移从面形误差中分离出来,得到最终的面形误差的RMS值为3.30 nm,在空间间隔为0.25 mm时的Slope RMS值为0.15943 μrad。研究结果表明,以Slope RMS为目标函数优化支撑点的支撑结果位置满足光学设计的要求,对更大口径光学元件的支撑设计提供了一种指导方法。     

大口径望远镜四通垂直度检测方法研究

为了保证大口径望远镜俯仰轴系的回转精度,对四通轴孔同轴度及轴孔轴线与两端面的垂直度等误差提出了很高的加工检测要求。针对大口径光学望远镜四通结构件的形位误差检测需求,并根据四通的结构特点,首先,提出了运用测微准直望远镜配合自准直仪等光学测量设备进行四通件的形位误差检测的方案。本方案利用测微望远镜光轴模拟四通轴孔的轴线,用精密侧角的自准直仪来测量四通端面与轴孔轴线之间的偏角,通过对测量数据进行处理计算即可得到被测件的垂直度。之后,对该方法的基本测量原理进行研究分析,并结合一套四通模拟件进行了垂直度的测量。通过实验验证了该检测方案的可行性,获得了精确的测量数据,测得其垂直度为98.2″,重复性RMS值为2.3″。最后,并对本测量方法的测量不确定度进行了分析,其合成标准不确定度为2.2″。本文所提出方法可以满足大口径望远镜四通形位误差的检测需求,对大型轴孔类结构件的形位误差检测具有一定的借鉴意义。     

自适应光学系统光学部分的计算机模拟

利用相位屏（PS）方法通过软件模拟大气湍流,进而研究了自适应光学（AO）系统中哈特曼一夏克（H—S）波前传感器的计算机模拟技术。使用基于Zernike多项式的模式法重构波前,验证了模拟方法的可行性,完成了AO系统光学部分的计算机模拟。     

哈特曼原理子口径斜率扫描检测及误差研究

提出了一种基于哈特曼原理子口径斜率扫描再重构波面的检测方式,研究了一种解决大口径光学系统不同俯仰角下的像质评价的方法。该方法无需同等口径标准镜,通过扫描方式获取波面信息。采用光学软件与数学分析软件通过DDE接口连接进行计算机联合仿真的方式进行探究,仿真光学系统采用主镜720 mm,次镜100 mm的卡塞-格林系统来验证该方法的可行性,利用随机误差注入及多次扫描平均的方法进行了该检测方式中重构波面精度的研究;系统探究了光斑中心提取误差、子口径定位误差、子口径倾斜误差对于该检测方法重构波面精度的影响。给出了该方法仿真结果与光学软件仿真结果的对比,并获取了误差注入时各误差与重构波面精度的物理模型。     

基于Warping Harness的半主动光学技术发展研究

半主动光学支撑是介于主被动支撑之间的一种调节镜面低频误差并提升支撑系统建造性价比的技术,本文回顾了该技术在地基大口径望远镜中的应用,陈述了其发展历程并总结三种Warping Harness结构形式及工作原理。分析并总结空间、球载、机载领域典型型号望远镜主镜系统结构参数及主镜面误差源,简单描述了船载、车载光电设备的结构组成和工作状态,分析了车、船载光电设备主镜面形影响因素。对基于Warping Harness的半主动光学技术在空间、球载、机载大口径望远镜和车载、船载大口径光电设备等领域拓展性开展了分析。最后对未来国内应用于大口径望远镜的半主动光学支撑进行了展望。     

基于曲率/斜率混合传感的镜面视宁度检测方法

随着光学元件的口径增加,无论是在加工检测还是在站址观测过程中,镜面视宁度的影响已经越来越难以忽略。在此情况下,研究可以定量测量镜面视宁度的方法与设备就显得十分重要。基于曲率/斜率混合传感策略,结合冷冻湍流假设实现镜面视宁度评价在时-空域上的转化,实现对镜面视宁度大动态范围的检测。首先,对曲率/斜率混合传感的基本方法进行了理论推导,并以标准化点源敏感性作为评价指标进一步分析了检测过程中的镜面视宁度变化。实验结果显示,在热扰动流场较为均匀时,镜面视宁度的影响较流场反复变化时小,由于湍流不稳定所引入点源敏感性（PSSn）为0.971 8。实验结果证明基于曲率/斜率混合传感的方法可以定量分析大口径光学元件镜面视宁度,对于后续开展的大口径系统设计优化与检测加工具有很好的指导意义。     

用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题,编制了初始结构计算程序,采用视场离轴方式,设计了一个波段范围0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1:4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。     

基于DSP和FPGA的望远镜伺服控制系统设计

针对交流永磁同步电机驱动的大型望远镜的高精度、低速平稳运行问题,研制了一套基于浮点数字信号处理器（DSP）和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的驱动控制器。该控制器以DSP 作为主控制器,FPGA 作为协控制器,主控制器完成控制算法、接受指令等功能,协控制器实现PWM 产生、电流采集、速度检测等功能。根据永磁同步电机矢量控制原理建立了永磁同步电机的数学模型,进行了永磁同步电机控制器的硬件设计;在硬件设计的基础上,采用自适应PI 对望远镜的低速控制性能进行了研究。实验结果表明:当望远镜以32.4 （）/s 匀速运行时,速度波动范围为0.648 （）/s;当对望远镜做最大速度为1（）/s,最大加速度为1（）/s2 的正弦引导时,最大引导误差为9.72 ,引导误差RMS 值为3.24 ;该驱动控制系统能够实现望远镜的低速平稳运行,满足大型望远镜伺服控制系统的性能要求。     

宽波段超大孔径反衍望远系统设计

二元光学器件除了能减小成像系统的体积、重量和成本外,还具有许多传统光学元件无法比拟的优越性.分别利用两个二元光学器件作为系统物镜和目镜,依据Schupmann望远系统设计了25 m口径超大孔径反衍混合望远系统,弥散斑大小以及MTF函数都能够达到设计要求.并提出使用谐衍射透镜代替普通衍射透镜,对系统进行了进一步改进,使望远系统获得较宽的光谱范围.研究结果表明,该望远系统无论是在单一光谱,多频带光谱或者连续光谱范围,都能够获得接近衍射极限的成像质量.     

赤道式望远镜寻北方法及测量结果

赤道式望远镜指北偏差直接影响测量的准确性,找到一种快速有效的寻北方法是非常关键的。锁定望远镜指向南赤道面,如果划过视场的星的轨迹不是水平直线,将调整望远镜极轴绕竖直轴线转动,直至星的轨迹是水平直线;锁定望远镜指向东或西赤道面,如果划过视场的星的轨迹不是水平直线,将调整望远镜极轴绕水平轴线转动,直至星的轨迹是水平直线。利用球面三角形的知识,推导分析了此种寻北方法的理论依据,望远镜指向南赤道面调整的是极轴指北偏差的水平分量,望远镜指向东或西赤道面调整的是极轴指北偏差的竖直分量。通过此方法寻北后的赤道式望远镜,连续50 min恒动对某恒星进行观测,其Y轴脱靶量变化4。观测结果表明,文中的寻北方法是快捷有效的,并且调整后的赤道式望远镜具有较高的指北精度。     

FY-2卫星热红外波段MTF在轨评价及其在改进图像质量中的应用

提出了基于理想斜坡模型及目标延拓空间卷积变换的采样成像系统热红外波段MTF在轨评价方法.仿真结果表明,该方法对性能良好的成像系统而言,系统特征MTF值的绝对评价误差约0.05.同时,利用2006～2008年间的观测数据,定量评价了FY-2C卫星热红外通道的系统MTF特性,与卫星发射前地面测试结果基本一致.采用在轨评价得到的系统点源扩展函数(PSF),对FY-2C卫星热红外通道图像进行了复原处理,得到了清晰度更高的图像产品,并给出了对典型台风监测结果的改进.传统在轨MTF评价方法中采用的理想阶跃模型,可视为理想斜坡模型中参数Nslope为0时的特例.因此,该方法同样适用于可见光、近红外波段的在轨MTF评价.     

Two-dimensional restoration of single photon emission computed tomography images using the Kalman filter

The discrete filtered backprojection (DFBP) algorithm used for the reconstruction of single photon emission computed tomography (SPECT) images affects image quality because of the operations of filtering and discretization. The discretization of the filtered backprojection process can cause the modulation transfer function (MTF) of the SPECT imaging system to be anisotropic and nonstationary, especially near the edges of the camera's field of view. The use of shift-invariant restoration techniques fails to restore large images because these techniques do not account for such variations in the MTF. This study presents the application of a two-dimensional (2D) shift-variant Kalman filter for post-reconstruction restoration of SPECT slices. This filter was applied to SPECT images of a hollow cylinder phantom; a resolution phantom; and a large, truncated cone phantom containing two types of cold spots, a sphere, and a triangular prism. The images were acquired on an ADAC GENESYS camera. A comparison was performed between results obtained by the Kalman filter and those obtained by shift-invariant filters. Quantitative analysis of the restored images performed through measurement of root mean squared errors shows a considerable reduction in error of Kalman-filtered images over images restored using shift-invariant methods.     

Design of low-loss tapered waveguides using the telescope structure compensation

A low-loss tapered waveguide is achieved by telescope structure compensation. The configuration of this design is similar to the Galilean telescope based on bulk geometrical optics. We numerically calculate the transmission efficiency in the use of the beam propagation method (BPM) and the finite-difference time-domain method. The BPM simulation results reveal that the normalized transmission efficiency is more than 95%, even if the tapered angle is as large as 10/spl deg/.     

大相对孔径高分辨率手机镜头设计

为了满足市场对手机镜头大相对孔径高分辨率的需求,采用E48R和LEXANH两种非球面塑料透镜,应用光学设计软件Code-v设计了一款大相对孔径高分辨率手机镜头。该手机镜头由5片非球面塑料透镜、1片红外滤波片、1片保护玻璃组成,其中第1片和第4片透镜为正透镜,第2片、第3片和第5片透镜为负透镜。结果表明,空间频率350lp/mm处,所有视场的调制传递函数(MTF)均优于0.2,0.7视场内的MTF均优于0.34,全视场内的场曲小于0.02mm,畸变小于2.55%。该研究为类似系统的设计提供了一定的参考价值。