拼接式望远镜子镜间平移、倾斜误差及子镜间隙对成像质量的影响

通过理论及数值仿真分析拼接式望远镜中子镜的平移误差、倾斜误差和子镜间隙对系统成像质量的影响。理论推导了存在不同误差时拼接式望远镜点扩散函数(PSF)及远场光斑斯特列尔比(S.R,用RS.R表示)的表达式,建立了三种误差对拼接式望远镜PSF和远场光斑RS.R的影响的仿真模型,分析了三种误差分别对拼接式望远镜成像质量的影响。分析结果表明:当子镜存在平移误差时,拼接式望远镜成像质量随着子镜平移误差标准差δ增加逐渐变差,当δλ/20时,拼接式望远镜远场光斑RS.R0.9;当子镜存在倾斜误时,拼接式望远镜成像质量随着波前相位均方差(RMS,用erms表示)增加逐渐变差,当erms0.3 rad时,拼接式望远镜远场光斑RS.R0.9;当子镜间存在间隙时,拼接式望远镜成像质量随着间隙因子w增大逐渐变差,当w0.025时,拼接望远镜远场光斑RS.R0.9。     

拼接望远镜中分块主镜曲率半径的误差分析

本文根据几何光学原理,利用光线追迹方法建立的拼接望远镜光学系统的仿真模型,分析计算了拼接主镜中分块镜曲率半径误差对拼接望远镜光学系统的影响。当主镜为单镜面时候,其曲率半径误差引起的波像差可以通过调焦进行补偿;当主镜为分块镜拼接镜时,由于分块镜曲率半径误差的随机性,望远镜光学系统无法对波相差进行有效补偿,对分块镜的曲率半径要求很严格;当对拼接主镜进行共相后,相当于补偿掉单个分块镜中由曲率半径误差引起的平移和倾斜误差,望远镜像质有很大提高并降低了对分块镜曲率半径误差的要求。     

基于FPGA和DSP的自适应光学系统在线性能评估的嵌入式处理平台设计

为了实现自适应光学系统性能的在线实时评估,提出并设计了一种基于FPGA和DSP的嵌入式处理平台。该嵌入式处理平台以FPGA作为协处理器,实现前端的高速数据缓存,以DSP作为主处理器,实现后端复杂的信号处理;根据哈特曼波前传感器探测的残余斜率,在线实时计算自适应光学系统的点扩散函数、斯特列尔比、半高全宽和调制传递函数。结果表明,系统点扩散函数计算误差为10-11量级,斯特列尔比的计算误差为10-3量级,半高全宽的计算误差为10-4倍衍射极限,调制传递函数计算误差为10-4量级。该嵌入式处理平台具有运算精度高,结构简单,便于系统集成,通用性强等优点。     

角谱理论用于衍射光学元件数字仿真

本文采用衍射角谱理论对衍射光学元件的光场分布进行数字计算。该理论包括两种表达方式:既可用含有传递函数的等式表达,也可用含有点扩散函数的等式表达。这两种计算方法在本质上是一致的。然而,在MATLAB计算过程中,它们又具有不同的适用条件,通过分析,将它们分为近场算法和远场算法,并且展示了它们的计算实例。结果表明,在标量衍射理论成立的条件下,不改变衍射元件抽样间隔和抽样点数,利用这两种算法能够快速、准确计算不同位置处的衍射图样。该方法对衍射光学元件像面光场分布的精确计算具有重要的意义。     

地基望远镜主镜支撑性能分析

主镜面型精度是地基大口径望远镜最关键的技术指标之一.为了研究主镜室以及主镜底支撑和侧支撑系统的重力变形造成的主镜面型误差,介绍了一地基光电望远镜的主镜室及详细的主镜支撑结构,借助于有限元法,建立了主镜,主镜室和支撑结构的详细有限元模型,分析计算了主镜在支撑状态下的镜面变形情况,并通过ZYGO干涉仪进行了面型检测.计算结...     

不同波前振幅分布对于斯特列尔比的影响

斯特列尔比SR（Strehl Ratio）是衡量一个光学系统光能强度分布优劣的重要评价指标。本文根据激光核聚变中利用修正SR模型,数学推导研究得出了波前位相及振幅信息,获取最大的SR比的两者匹配条件：即斯特列尔比与波前振幅分布和波前位相的指数函数分布的一致性成正比关系。并对该结论进行了计算机仿真验证。实验根据一有象差波面位相与一组不同的振幅分布函数进行匹配计算：当给定波前位相分布（PV〈1λ时,则不同的振幅分布得到的斯特列尔比从0．92-0．99之间变化。实验结果表明当波前振幅分布与波前位相的指数函数分布一致性越好,系统斯特列尔比越大,并且斯特列尔比主要由波前位相分布决定。该结论说明：虽然激光核聚变中振幅是高阶超高斯型分布的平顶光束,只有当波前位相的均方根趋于零相当于一平面波时则其指数分布与振幅分布达到了好的一致性,才能得到高的SR比。     

能动主镜的风载变形研究

风载引起的主镜变形是大口径望远镜必须考虑的问题.针对类似于Subaru望远镜的薄镜面能动光学系统,采用固定点力反馈控制方法对风载进行校正,本文引入了压强模式的概念,提取出风载产生的镜面变形的大部分信息,并据此对固定点力反馈控制方法进行了研究,得到如下结论:风载产生的镜面变形主要是平移、倾斜、像散和离焦等低阶像差;相同系...     

大尺寸望远镜主镜组件有限元分析

为定量分析大尺寸望远镜自身重力对主镜镜面变形造成的影响,采用有限元的手段以非线性分析方法的ABAQUS软件为研究工具对某大尺寸望远镜主镜组件进行了精确有限元分析.在分析过程中将罚函数的摩擦形式引入至主镜组件的摩擦接触中,分别对组件的球头接触、芯轴接触进行了建模,完成了对于组件Y向与Z向的各部分应变分析.分析表明该主镜组件因自身重力作用造成的面形变化非常小,RMS方面的Y向与Z向面形变形分别为16nm和13nm,而主镜绕X轴倾斜量在Y向和Z向分别为0.5″和0.02″,完全满足使用条件.该分析为该望远镜的后续研制提供了参考.     

扩展傅里叶衍射理论在相移掩模中的应用

针对现代光刻中,超大教值孔径的情况下,通过简单的傅里叶衍射理论模拟掩模的传递函数的方法不够精确,必须得考虑倾斜照明带来的阴影效应.因此本文针对交替式相移掩模,提出了一种考虑阴影效应的近似模型.重新定义了阴影比率的公式.该方法是傅里叶衍射理论的扩展,是一种依赖于入射角的函数.分别给出了交替式相移掩模空间域和空间频率域的传递函数的表达式.并对提出的近似模型的衍射效率以及干涉场光强分布进行了仿真.结果表明,衍射效率和干涉场的强度分布是随着入射角的改变而改变的,不同线宽的衍射效率也不同.并且衍射效率是关于零度入射角对称分布.     

波前编码中立方相位板的装配及加工误差对成像性能的影响

在波前编码技术中,通过立方相位板的光学调制和后续图像处理,扩展了系统景深.其中系统的光学调制过程,可以用广义光瞳函数描述.系统的广义光瞳函数描述了光通过立方相位板后相位的变化过程.立方相位板是波前编码技术的关键器件,装配及加工误差直接影响系统的成像性能.本文通过推导不同误差情况下的广义光曈函数,得到了立方相位板装配及加工误差对点扩散函数(PSF)和调制传递函数(MTF)的变化规律.评估这些规律,得到了装配和加工误差对系统成像性能的变化规律,为装配和加工过程提供了基本的指导.文中分析了不同装配误差和加工误差对于系统性能的影响,其中围绕Z轴的装配误差和加工中振动引起的正弦形状误差对于MTF的影响最大.因此,在装配和加工中应尽量避免围绕Z轴的装配误差和正弦形状误差,正弦形状误差的PV值应保持在0.5μm之内.     

干涉相位测量

引言为了满足光学图形传感器能够实时取得光学调整和图形误差数据的要求,研制了本文所描述的干涉仪。只有用这样的传感器,才能连续自动地调整大型望远镜系统的主镜。这种干涉仪对于在相当短的时间内需要大量数据点的光学计量情况也是有用的。     

综合验光仪中镜片偏心与倾斜对验光的影响分析

利用几何光学和眼科屈光学基本原理,针对综合验光仪加工和装配中的两项主要误差:镜片偏心和倾斜给验光带来的影响进行了分析,并用ZEMAX软件进行验证.结果表明综合验光仪中的镜片若存在偏心,则会在验光中引入棱镜度误差,该误差与镜片的屈光度数和偏心量有关;若镜片存在倾斜,则不但会引起轴向主光线在像方焦面上像点位置的偏移,即棱镜度误差,还会给验光引入球镜度和柱镜度误差,其中柱镜度误差是球镜度误差的2n倍,并且镜片两表面发生反向倾斜给验光带来的影响要比装配时镜片整体倾斜的影响显著.此外,镜片装配时由于偏心给验光带来的影响要比倾斜大,所以在综合验光仪的加工或装配过程中应严格控制镜片偏心和两表面反向倾斜.     

大口径望远镜主镜支撑优化分析

大口径望远镜主镜的面形精度是影响望远镜成像质量的关键因素之一.光电系统中主镜轴向支撑点位置,对面形精度起着非常重要的作用,主镜支撑点位置合理与否,在一定程度上影响着光学系统的成像质量.本文对大口径望远镜主镜的轴向支撑和径向支撑技术进行了详细地研究,利用有限元软件ANSYS建立了主镜的参数化模型,对不同口径主镜的轴向支撑点数目和位置进行了优化,从而给出了最佳支撑点的位置.优化分析结果表明了,主镜的面形精度满足系统的精度要求,并且轴向支撑对镜面的面形影响较大.     

空间低温光学的新进展

介绍美国计划于２００２年发射的新型红外太空望远镜的低温系统、低温光学仪器的性能；主镜和二次镜的低温性能试验和材料的选择。概述了９０年代初期发射的哈勃太空望远镜在实际运转时所存在的问题。     

小波分析方法描述光学系统传递函数

本文运用小波尺度函数描述了光学系统的传递函数。根据小波光学波前滤波思想,把光学系统看作滤波器,认为是光学系统对光波进行滤波,滤波后的光场将按权重重新分配,并以小波尺度函数来描述光学系统的点扩散函数。     

光学超分辨平面超构透镜研究进展

从光学自身机理上突破光学理论分辨率极限,实现远场超分辨光学点扩散函数,进而实现超分辨聚焦和超分辨成像,在激光加工、超分辨光学显微和超分辨望远等系统有着重要应用前景.近年来,光学超构表面的发展使得在亚波长尺度上实现光场振幅、相位及偏振的独立调控成为可能,为研制新型的超分辨平面超构透镜提供了更加灵活的手段.本文介绍了基于光学超构表面的超分辨平面超构透镜、相关测试技术方面几年来的研究进展,并讨论了该领域面临的问题和未来的研究重点和方向.     

对Hartmann-Shack波前传感器平移误差的研究

Hartmann—Shack传感器的探测精度对于评价自适应光学系统的校正能力和光学检测精度都是十分重要的。通过对传感器的平移误差的理论分析和数据仿真来对传感器的系统精度进行研究，确定平移误差的最佳范围为残余像差与理论像差的均方根比值不大于0．5％。这为Hartmann—Shack传感器的装配提供了理论依据和技术指标。     

基于标记点的子孔径全局优化拼接检测法

为实现小口径干涉仪完成较大口径光学平面镜片的测试,得到镜片的完整面形信息,提出了基于标记点的平面Givens变换,实现了子孔径的精确定位.采用Zemike多项式拟合对每个子孔径数据进行了消倾斜量的处理.建立了全局优化拼接数学模型.利用该模型进行了九孔径拼接计算机仿真实验,利用该方法得到的PV值和RMS值的相对误差均在10-6左右.对直径为150 mm的镜片进行九孔径拼接检测实验,对比全口径干涉检测结果,PV值和RMS值的相对误差为0.36%和2.27%.仿真和实验结果证明:该方法稳定可靠,降低了传统的子孔径拼接干涉检测方法中对导轨的高精度要求.     

空中观测设备——艾姆斯(AMES)红外球载望远镜

空中观测设备(Airoscope)是为观测红外波段的星体而设计的球载望远镜系统。望远镜用陀螺稳定,其定向指令来自电视、星体跟踪器或地面站。由一对磁通门伺服罗盘作初始定向后,电视系统再进行搜索扫描和准确的截获。指挥和控制是借助256路指令的超高频线路实现的。科学和工程数据由“L”波段窄带调频遥测信号送至地面站。地面站显示飞行期间发回的所有的科学和工程数据,以及工作状况。并记录指令和遥测数据,以便详细分析。望远镜由直径71厘米的主镜和Dallkirkham光学系统组成。主镜光束由摆动的次镜按指令以11或25赫的频率自左或自右开始摆动来进行调制。位于望远镜焦平面上多密度靶(multi-densitytarget)后面的调相管,提供准确的较准信号,并按指令调整次镜进行聚焦。对可见光目标定向精度为±10弧秒(均方根值)以内的星体跟踪器,可根据指令接入陀螺控制回路,以代替电视跟踪可见光目标。吊舱内主能源是银锌蓄电池组,额定寿命为80安培小时。     

混合模型算法在无波前传感自适应光学中的应用

应用Lukosz预校正模型算法可以校正波前畸变的低阶像差,缩小迭代算法的搜寻范围;应用自适应余弦衰减的随机并行梯度下降(AcSPGD)算法可以补偿波前畸变的高阶像差,提升迭代算法的校正精度。本文提出了一种基于预校正模型和AcSPGD算法的混合模型算法,并将其应用于无波前传感自适应光学系统中校正湍流大气产生的畸变波前,最后搭建实验光路验证了算法的有效性。结果表明,混合模型算法的校正速率是常用的随机并行梯度下降(SPGD)算法的3倍,且校正精度比传统的Lukosz模型算法更高,应用于无波前传感自适应光学系统中有效减小了光场波前的相位起伏,提高了远场光斑斯特列尔比(SR),使自由空间光通信(FSO)系统的通信性能得到有效提升。