高倍率低波前畸变引力波探测望远镜的光学设计

基于离轴四反的方案设计,从同轴反射系统的理论出发,结合高倍率,低波前畸变,以及高杂散光抑制比等特点对天琴望远镜的原理系统进行了优化设计。实现了在捕获±200μrad视场内系统百倍的压缩倍率,其入瞳直径300 mm,波前误差优于λ/80。提高三四镜之间光线转折角度进行杂散光抑制,在保证高质量波前的条件下,其三镜的偏角优化结果为5.5°,且三镜为平面镜的引入,降低了后期加工装调的难度。为了对原理系统的加工装调以及杂散光抑制能力进行验证,建立了该系统下0.5倍的缩比系统,实现了缩比系统的波前误差优于λ/175。经公差分析,原理系统有90%的累积概率其波前误差优于λ/40,满足引力波望远镜的指标要求。     

利用离轴三反镜光学系统确定各镜的装调公差

利用条纹泽尼克系数与赛德尔像差的关系,在三反镜光学系统的出瞳面上,用条纹泽尼克系数来表示系统的波像差。通过光学设计软件Zemax计算得到三反镜光学系统各镜的装调公差,以公差要求高的镜面作为装调基面,从而减少要调整的自由度。通过分析泽尼克(Zernike)系数在公差范围内的变化幅度来确定光学系统在出瞳面上各个像差的变化幅度,用该幅度的变化量来决定主次三镜各自由度在各个方向上的敏感度,最终确定各个自由度的优化调整级别。对一大口径无遮拦离轴三反镜光学系统进行了装调,在波长λ=632.8nm的条件下进行了检测。结果表明:整个光学系统全视场波前误差的均方根值RMS=0.108λ。     

空间引力波望远镜远场相位噪声抑制方法

空间引力波望远镜的波像差与指向抖动耦合产生的远场相位噪声是引力波探测的主要噪声源。基于其产生的理论机制，建立了噪声耦合系数与望远镜像差间的函数关系，提出了控制特定像差的优化策略。结合望远镜设计实例验证了该方法对抑制远场相位噪声的效果，当波前质量水平为λ/20（λ=1064nm）时，优化后的噪声耦合系数优于0.11 pm/nrad，较优化前降低了一个数量级，远优于指标要求，所提方法极大地提升了望远镜的远场相位稳定性。     

无调制四棱锥波前传感器的光瞳像标定方法

四棱锥波前传感器具有空间采样率高和光能利用率高等优点。要准确地从光瞳像中提取待测波前的斜率信息,需要事先对光瞳像的尺寸和位置进行标定。分析了光瞳像尺寸标定误差和位置标定误差对自适应光学系统闭环校正效果的影响。提出了一种对无调制四棱锥波前传感器光瞳像进行标定的方法,并在考虑系统像差和探测噪声的条件下对该方法进行了多次仿真实验验证。分析结果表明,即使系统存在像差(均方根小于1.7λ),该方法仍可以对光瞳像的尺寸和位置进行准确标定。该方法可应用于实际自适应光学系统。     

极紫外光刻物镜分组可视化界面设计优化

高数值孔径(NA)、大视场极紫外光刻物镜光学系统是实现22 nm及以下技术节点产业化光刻系统的关键部件。通过对光刻物镜系统结构的分析,利用可视化对其初始结构进行分组构造。并在此基础上采用一种渐近式NA方法获得了弦长为26 mm,宽2 mm的弧形视场内复合波像差优于均方根(RMS)为λ/50的物镜系统。借助Q型多项式,使物镜光学元件非球面度低于45μm,最大口径小于400 mm,全视场波像差优于0.027λRMS,畸变优于1.5 nm。     

Ф750mm口径望远镜光学系统的检测(英文)

为了探测更高轨道的空间目标,研制了一台通光口径为Ф750mm的望远镜.该望远镜为主焦点光学系统,由一片二次非球面反射元件和四片透射元件组成,具有大视场(4°),大相对孔径(1∶1.32)和宽光谱(500～800nm)的特点.本文以该望远镜的研制为基础,介绍了其光学系统各个元件的单独检测和系统装调完成后的整体检测方法和过程.采用样板法对系统中的球面透射元件进行了单独检测,采用透射无像差补偿器法对二次非球面反射镜进行了单独检测,采用反射无像差补偿器法对组合起来的透射校正镜组进行了检测,并且对系统装调对准之后的光学系统进行室内平行光管和室外对星观测两种方法进行检测.测量结果均满足设计要求,其中球面透镜的面形误差小于0.1个光圈,反射元件和透射元件非球面表面的面形误差均优于λ/30(λ=632.8nm),透射校正镜组的波像差优于λ/30(λ=632.8nm).光学系统整体检测结果表明,室内和室外检测结果一致,其像面的80%能量集中度直径在4°的全视场范围内均小于2个像元,达到了设计的成像要求.     

Optical Measurement of φ750 mm Telescope System

为了探测更高轨道的空间目标,研制了一台通光口径为φ750 mm的望远镜.该望远镜为主焦点光学系统,由一片二次非球面反射元件和四片透射元件组成,具有大视场(4°),大相对孔径(1∶1.32)和宽光谱(500～800 nm)的特点.本文以该望远镜的研制为基础,介绍了其光学系统各个元件的单独检测和系统装调完成后的整体检测方法和过程.采用样板法对系统中的球面透射元件进行了单独检测,采用透射无像差补偿器法对二次非球面反射镜进行了单独检测,采用反射无像差补偿器法对组合起来的透射校正镜组进行了检测,并且对系统装调对准之后的光学系统进行室内平行光管和室外对星观测两种方法进行检测,测量结果均满足设计要求,其中球面透镜的面形误差小于0.1个光圈,反射元件和透射元件非球面表面的面形误差均优于λ/30(λ=632.8 nm),透射校正镜组的波像差优于λ/30(λ=632.8nm).光学系统整体检测结果表明,室内和室外检测结果一致,其像面的80％能量集中度直径在4°的全视场范围内均小于2个像元,达到了设计的成像要求.     

像质补偿在高分辨物镜精密装调中的应用

根据高分辨物镜各个光学元件的实测数据,应用轴向补偿和旋转补偿法,在仿真精密装调过程中得到了物镜轴向补偿器的最优值和各元件的最佳旋转角度。仿真结果表明,在97.7%的置信区间内,物镜各视场波像差RMS值从补偿前的0.087λ(λ=632.8nm)减小到了补偿后的0.040λ。依据获得的参数对物镜进行了装调实验,结果表明,激光干涉仪测得的物镜各视场波像差RMS值介于0.050~0.082λ之间,基本达到了衍射极限的分辨率要求,验证了像质补偿方法的有效性。     

用像差逐项优化法装调离轴三反射镜光学系统

在对复杂光学系统粗装调完成之后 ,利用自准干涉检验的办法 ,采集光学系统各视场的干涉图 ,然后用干涉条纹分析软件算出整个系统波前误差 ,其量值用泽尼克系数来表示 ,通过泽尼克系数与系统的波像差的关系 ,判断要调整的目标值 ,即当前在光学系统中占主导地位的波前误差 ,对主导误差优化 ,得到系统的失调量 ,由光学设计软件确定其正确后 ,进行一次精密装调。然后进行多次这样的计算机迭代和优化 ,直到光学系统达到最好的调整状态。运用此方法来装调大口径 ,长焦距离轴三反射镜系统 ,在波长λ等于 6 32 .8nm时 ,该离轴三反射镜系统中心视场波像差均方根值达到了 0 .0 94λ ,+1°视场和 - 1°视场的均方根值分别为 0 .10 6λ和 0 .12 5λ。     

超分辨望远光学系统像差影响及优化设计

针对大口径光学系统中像差影响超分辨效果的问题,开展泽尼克波前像差对望远超分辨成像系统性能和超分辨局部视场影响的研究。设计四区型位相光瞳滤波器,在理想光学系统出瞳处分别加入离焦、像散、彗差和球差像差,逐渐增加幅值,通过分析不同类别和幅度的波前像差下焦面光强分布变化,研究超分辨成像性能和局部视场对不同种类像差的容忍程度。结果表明,离焦可以抑制超分辨旁瓣能量,提高超分辨倍率,但对局部视场影响较大;球差可以抑制超分辨旁瓣能量,增大局部视场;像散和彗差使光斑圆对称性明显下降,其中像散对局部视场的影响较为明显;同时加入适量离焦和球差时,超分辨旁瓣能量下降,超分辨倍率提高,且不影响系统局部视场。据此设计了一个F数为10,焦距为12 m的大口径光学系统,通过合理优化球差和离焦剩余量,实现了超分辨倍率由1.21倍到1.31倍的提升,最大旁瓣峰值由0.33下降到0.30,局部视场为38.28μm。     

空间引力波探测望远镜初步设计与分析

引力波的直接观测已开启引力波天文学的新篇章,爱因斯坦的百年预言终获证实。空间引力波探测器使得探测0.1 m Hz~1 Hz频段丰富的引力波源成为可能,与地面引力波探测器互为补充,才可实现更加宽广波段的引力波探测,揭开宇宙早期的更多秘密。空间激光干涉引力波探测采用外差干涉测量技术,测量间距百万公里的两自由悬浮测试质量间10 pm量级的变化量。望远镜是激光干涉测量系统的重要组成部分,1 pm的光程稳定性及苛刻的杂散光要求,不同于传统的几何成像望远镜。本文根据空间太极计划任务需求,对望远镜的功能及技术要求进行了分析,并完成了原理样机的初步方案设计,针对百万公里远场波前分布,分析了望远镜系统的敏感性,同时完成了在轨光机热集成仿真,为后面原理样机的研制奠定了技术基础。     

基于近红外光谱的人眼像差校正系统中变形镜性能对比研究

对比分析了基于近红外光谱的人眼像差校正系统中两种微机械薄膜变形镜(OKO37单元和BMC140单元)的结构特征和空间特性,着重对变形镜的影响函数进行了主成分研究,建立了变形镜电压控制模型,并通过调整参数d确定变形镜最优控制模式。最后对Zernike单位模式波前像差和Thibos模式人眼波前像差进行拟合仿真实验,结果表明BMC140单元变形镜对Zernike各阶模式的拟合能力均为OKO37单元变形镜的2倍以上。对RMS均值为0.683λ(λ=0.785 μm)的Thibos模式人眼像差,BMC变形镜校正后残余像差RMS值为0.063λ,达到了光学系统的衍射极限(λ/14)。而OKO变形镜由于受相邻电极交连值大、电极分布密度小等因素的影响,其校正能力不及BMC变形镜,残余像差RMS值为0.168λ。本方法也可用于其他种类变形镜的性能评估。     

用于激光接收/目视瞄准镜的共光路光学系统设计

为实现多传感器光轴校准并达到小型化轻量化的设计要求,将目视瞄准镜作为校轴光学基准,采用共用摄远型物镜组,并利用在立方棱镜斜面镀制光谱分光膜,实现高精度目视瞄准镜与激光接收的共光路系统设计。该目视瞄准镜放大倍率为7×、视场为5°、出瞳直径为3.7 mm、出瞳距离不小于20 mm;激光接收系统视场为1 mrad、接收口径为50 mm,设计结果满足指标要求。     

Use of a microelectromechanical mirror for adaptive optics in the human eye

Ophthalmic instrumentation equipped with adaptive optics offers the possibility of rapid and automated correction of the eye's optics for improving vision and for improving images of the retina. One factor that limits the widespread implementation of adaptive optics is the cost of the wave-front corrector, such as a deformable mirror. In addition, the large apertures of these elements require high pupil magnification, and hence the systems tend to be physically large. We present what are believed to be the first closed-loop results when a compact, low-cost, surface micromachined, microelectromechanical mirror is used in a vision adaptive-optics system. The correction performance of the mirror is shown to be comparable to that of a Xinetics mirror for a 4.6-mm pupil size. Furthermore, for a pupil diameter of 6.0-mm, the residual rms error is reduced from 0.36 to 0.12 microm and individual photoreceptors are resolved at a pupil eccentricity of 1 degrees from the fovea.     

Influence of wave-front aberrations on bit error rate in inter-satellite laser communications

We derive the bit error rate (BER) of inter-satellite laser communication (lasercom) links with on-off-keying systems in the presence of both wave-front aberrations and pointing error, but without considering the noise of the detector. Wave-front aberrations induced by receiver terminal have no influence on the BER, while wave-front aberrations induced by transmitter terminal will increase the BER. The BER depends on the area S which is truncated out by the threshold intensity of the detector (such as APD) on the intensity function in the receiver plane, and changes with root mean square (RMS) of wave-front aberrations. Numerical results show that the BER rises with the increasing of RMS value. The influences of Astigmatism, Coma, Curvature and Spherical aberration on the BER are compared. This work can benefit the design of lasercom system.     

Retina imaging system with adaptive optics for the eye with or without myopia

An adaptive optics system for the retina imaging is introduced in the paper. It can be applied to the eye with myopia from 0 to 6 diopters without any adjustment of the system. A high-resolution liquid crystal on silicon (LCOS) device is used as the wave-front corrector. The aberration is detected by a Shack-Harmann wave-front sensor (HASO) that has a Root Mean Square (RMS) measurement accuracy of λ/100 (λ = 0.633 μm). And an equivalent scale model eye is constructed with a short focal length lens (∼18 mm) and a diffuse reflection object (paper screen) as the retina. By changing the distance between the paper screen and the lens, we simulate the eye with larger diopters than 5 and the depth of field. The RMS value both before and after correction is obtained by the wave-front sensor. After correction, the system reaches the diffraction-limited resolution approximately 230 cycles/mm at the object space. It is proved that if the myopia is smaller than 6 diopters and the depth of field is between −40 and +50 mm, the system can correct the aberration very well.     

利用镜面形变实现共轴折反射式变焦光学系统设计

在光学系统中加入2个或多个可变光学元件,保持光学元件位置不变,通过微调装置改变这些可变光学元件的焦距使得整个光学系统的有效焦距发生变化。基于该设计思想,结合卡塞格林(Cassegrain)反射式望远镜结构模式,使用ZEMAX光学设计软件设计了焦距为1 600 mm～800 mm,视场0.6°～1.2°的变焦系统,整个系统由2个可变形反射面、1个平面反射面和1个透镜组成,主要通过主镜和次镜面型曲率(可变形镜DMs,Deformable Mirrors)以及入瞳直径的变化实现系统变焦。设计结果表明:系统在空间频率16 lp/mm处调制传递函数大于0.75,最大均方根弥散斑半径均小于探测元尺寸,满足成像要求。     

连续相位板束匀滑容差能力分析

在惯性约束聚变系统中,改进G-S算法设计的连续相位板能够对波前发生畸变的激光进行束匀滑处理,以改善远场分布。由于连续相位板对不同畸变状态的波前进行处理后的效果不一样,因此针对连续相位板的束匀滑容差能力进行了系统分析。鉴于畸变光束的传输特性,采用波前均方根梯度来量化波前畸变量,定量计算了不同畸变光经过匀滑处理后的远场光强分布情况。并比较了不同入射畸变光通过连续相位板后的远场焦斑顶部均匀性,结果表明:当入射波前畸变的均方根梯度小于0.32 wave/mm 时,连续相位板具有很好的束匀滑效果。     

Shack-Hartmann波前传感器在光学检验中的应用

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器,以及相应的检测实验结果。在实验室内,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出传感器的测量精度优于/50 RMS(=632.8 nm)。在外场利用星光作为光源,对口径1 m、焦距11 m的望远镜进行了系统波像差检验,测量结果为0.39~0.46RMS之间,并随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为三阶像散。     

人眼高阶像差校正和视觉分析系统

人眼除具有可用眼镜或接触镜校正的低阶像差(离焦、像散)之外,还普遍存在高阶像差。高阶像差的存在影响着屈光系统的成像质量。为研究高阶像差对视觉功能的影响,利用自适应光学技术,建立了具有校正高阶像差和产生高阶像差双重功能的人眼高阶像差校正和视觉分析系统。介绍了系统实现高阶像差校正和视觉分析的工作原理;阐述了波前校正器、哈特曼波前探测系统、控制系统等关键单元技术;列出了系统对泽尼克模式像差的校正效果,绝大多数像差从0.5λ降低到0.2λ以下;阐明系统功能的实现过程,并给出仿真实验的结果。该系统为进一步研究高阶像差对视功能的影响提供了有效的手段。