空间望远镜分块式主镜建模与面形控制方法

空间望远镜分块式主镜的面形是由其背后布置的若干致动器控制的,是一个复杂的控制系统。应用BP神经网络的方法建立了以致动器作用力作为输入、镜面形变的Zernike多项式拟合系数作为输出的镜面形变模型。利用镜面有限元分析的大量数据对该模型进行了离线训练,并在最小二乘法的基础上,设计了加入单纯形修正算法的主镜面形静态控制器。仿真结果表明,应用该控制器对空间望远镜进行在线控制,控制精度优于最小二乘控制法。     

基于三片曲面反射镜的离轴投影成像系统

采用调制传递函数和波前像差分析方法,设计了基于偶次非球面反射镜和Zernike自由曲面反射镜构成的放大倍数为80,相对孔径为2.8的三个离轴投影成像系统.其中第一片反射镜M1表面为凹面用于减小第二片反射镜的尺寸及获得高的对比度,而第二片反射镜M2和第三片反射镜M3表面为凸面用于校正系统像差及获得更短的投影距离.经软件设计与分析,三系统中基于三片Zernike自由曲面反射镜的成像系统光学性能最好,调制传递函数实现60lp/mm时60%以上,畸变小于2.0%.与其它文献相比,基于三片Zernike自由曲面反射镜系统可以更好地消除像差,缩短系统厚度,增大系统的可视角与相对孔径.     

一种用于光机热集成分析的新方法——干涉图插值法

Zernike多项式是光机热集成分析中实现光、机、热各分析软件之间数据传递的重要工具。许多光学元件表面形状并不满足Zernike多项式的正交性条件，使有限元分析不能精确拟合光学元件表面变形及变形产生的各项像差。讨论影响Zernike正交性的几个因素，详细介绍将有限元分析得到的光学表面变形数据导入光学分析软件的一种新方法——干涉图插值法。该方法避开Zernike多项式拟合，在去除镜面刚体位移后将镜面畸变精确地表示成干涉图数据，直接生成数据接口。     

拼接式望远镜主镜衍射效应研究

拼接式主镜的设计使超大口径望远镜的构想成为现实。为了研究拼接式望远镜的成像性能，精确分析和量化了拼接式主镜构型、平移误差、倾斜误差对衍射效应的影响，从拼接式光学系统的成像原理出发，基于齐次坐标变换建立了拼接式主镜的光瞳模型，并仿真分析了拼接主镜构型对衍射效应的影响。分析结果表明:对于不同构型的拼接主镜，其衍射效应受拼接主镜的填充因子和孔径间隔共同影响，填充因子越高，孔径间隔越小，系统成像质量越好。以典型的拼接主镜构型为例，分别仿真分析了单个子镜平移误差、倾斜误差和拼接主镜整体平移误差、倾斜误差对衍射效应的影响。分析结果表明:对于单个子镜，平移误差对远场衍射的影响具有周期性；对于拼接主镜整体，当子镜piston误差的均方根值小于0.039λ时，斯特列尔比大于0.95；当子镜tip-tilt误差的均方根值小于0.036λ时，斯特列尔比大于0.95。分析结果为拼接式望远镜的成像性能分析、主镜的构型设计、平移误差和倾斜误差的检测与调整等提供了依据。     

The Characteristics of Wavefront and Far-Field Optical Pattern from High Power Laser Mirror

This paper presents the characteristics of wavefront and far-field optical pattern from high power laser mirror which suffered from thermal deformations. Zernike polynomials are introduced to describe aberrations of laser-induced thermal deformations. And, the far-field optical patterns of radiation are calculated by using Fourier transformation and measured by interference experiments. The result indicates that main aberrations are defocusing and primary coma, and that the tilt cannot be ignored. Some optical patterns and contour maps which depend on the laser beam power applied to the mirror and the exposure time are given. Finally a new clamping method is suggested, which can reduce the tilt of mirror and increase the pointing stability of high power laser beam.     

基于三片曲面反射镜的离轴投影成像系统

采用调制传递函数和波前像差分析方法,设计了基于偶次非球面反射镜和Zernike自由曲面反射镜构成的放大倍数为80,相对孔径为2.8的三个离轴投影成像系统.其中第一片反射镜M₁表面为凹面用于减小第二片反射镜的尺寸及获得高的对比度,而第二片反射镜M₂和第三片反射镜M₃表面为凸面用于校正系统像差及获得更短的投影距离.经软件设计与分析,三系统中基于三片Zernike自由曲面反射镜的成像系统光学性能最好,调制传递函数实现60 lp/mm 时60%以上,畸变小于2.0%.与其它文献相比,基于三片Zernike自由曲面反射镜系统可以更好地消除像差,缩短系统厚度,增大系统的可视角与相对孔径.     

双压电变形反射镜的优化设计

利用Ｋｏｋｏｒｏｗｓｋｉ导出的自由边界条件下双压电变形镜表面位移－电压所满足的偏微分方程,运用高斯迭代法求解该方程,得出变形镜的静态响应函数矩阵ｆ（ｒ,０）,考虑到由大气湍流造丰的光学波前畸变中各泽尼克基元模式的统计权重分布,以及变形的实际装夹定位方式,对双压电变形反射镜的优化设计进行了分析。结果表明：变形的校正能力随被校正的各项泽尼克模式像差在大气湍流造成的波前畸变中所占统计权重的不同而有很大的     

微加工薄膜变形镜特性分析

 借助测量微加工薄膜变形镜驱动器的面形影响函数，分析了驱动器的电压-位移函数和驱动器之间的线性叠加性;通过对连续面形变形镜拟合像差的理论分析和实验研究，建立了微加工薄膜变形镜电压解耦模型。分析了对前36阶Zernike模式的拟合残差和拟合能力，指出微加工薄膜变形镜仅可用来拟合低级像差并且有较大的拟合能力和较小的拟合残差，而不能拟合高级像差。     

Smart microscope: an adaptive optics learning system for aberration correction in multiphoton confocal microscopy

Off-axis aberrations in a beam-scanning multiphoton confocal microscope are corrected with a deformable mirror. The optimal mirror shape for each pixel is determined by a genetic learning algorithm, in which the second-harmonic or two-photon fluorescence signal from a reference sample is maximized. The speed of the convergence is improved by use of a Zernike polynomial basis for the deformable mirror shape. This adaptive optical correction scheme is implemented in an all-reflective system by use of extremely short (10-fs) optical pulses, and it is shown that the scanning area of an f:1 off-axis parabola can be increased by nine times with this technique.     

基于多视场星点椭圆率的望远镜主动准直方法

光学元件的准直失调会引起天文望远镜在观测过程中的像质退化,该问题在大口径快焦比的天文光学系统中更为突出。针对此问题,本文提出一种用于望远镜日常观测过程中的主动准直方法,通过星像解算实时校正副镜位置及姿态达到维持望远镜像质的目的。该方法基于多视场星点椭圆率,利用粒子群优化算法迭代求解望远镜光学元件失调量,从而校正由光学元件失调引起的低阶像差。利用1.6 m多通道测光巡天望远镜光学系统进行模拟仿真,求解副镜失调量残余误差小于1%,在系统设计公差范围以内。利用南极巡天望远镜AST3-3模拟及实验验证,表明该方法可高精度求解望远镜光学元件的失调误差。     

20单元双压电片变形反射镜的影响函数有限元分析和实验测量

影响函数是分析双压电片变形反射镜像差校正能力的重要参量,通过建立有限元模型预测实际器件的影响函数,以有限元模型的不断优化替代实际器件的尝试性改进,可以减小构造的盲目性,从而节约研发成本,缩短双压电片变形镜的实用化进程.采用Veeco干涉仪测量了20单元双压电片变形反射镜的影响函数,同时建立有限元模型进行了相应计算,并将计算结果与实际器件的测量数据进行了对比分析.结果表明,相对于实测数据而言,有限元模型计算得出的影响函数在量值上略有偏小,但其形状和峰值位置与测量数据一致性好,两者对前35项泽尼克像差的拟合曲线也基本吻合,各项拟合误差系数之差皆小于0.1.这说明通过不断改进有限元模型实现对实际器件的优化设计是切实可行的.     

微变形镜内腔补偿激光模式畸变研究

 采用Fox-Li迭代方法，对畸变相差以Zernike多项式展开，计算了不同菲涅耳数的谐振腔在畸变发生时的低阶输出模式，分析了激光器谐振腔内畸变对激光输出模式的影响。对微变形镜的面形以Zernike多项式进行拟合，计算了中心电极的影响函数，并建立了微变形镜控制模型。实验上将微变形镜作为激光器的一个腔镜，验证了微变形镜对激光输出模式的补偿作用。结果表明，内腔微变形镜对激光输出模式具有校正作用，激光基本上可以达到基模输出。     

大型光学天文望远镜风载作用分析

风载对光学天文望远镜结构和镜面的作用将直接影响望远镜的面形精度和跟踪指向控制,从而降低望远镜的像质。特别是未来大型望远镜越来越多地采用主动光学技术,风载的作用将是影响主动光学子镜的主动控制及望远镜整体性能的重要因素。回顾了大型望远镜风载作用的分析方法和随机风载的性质,详细介绍了采用风速功率谱密度方法进行随机风载分析的过程和采用有限元方法分析建模的方法;建立了一个拼接镜面主动光学望远镜的完整计算模型,研究了子镜及望远镜整体在风载作用下的静态和动态响应,并分析了风载对镜面面形和望远镜的跟踪指向精度的影响。     

基于功率谱的反射镜面形评价

针对表面高度均方根（RMS）难以描述大尺度波动以及刚体位移鲁棒性差的缺点,提出了使用功率谱（PSD）对大口径望远镜系统中主反射镜面形进行评价;结合Zernike多项式,对PSD的分解运算进行了分析,讨论了Zernike多项式的频谱能量分布;将该方法用于Φ500 mm反射镜面形检测数据的处理,得出实际反射镜表面面形频域能量分布情况。结果表明：对于大口径反射镜,使用PSD的评价方式对于指导加工检测以及望远镜系统误差的分配具有更实用的意义。最后,基于PSD提出了一种评价反射镜面形的子孔径非相关拼接方法,该方法适用于大口径望远镜中大口径光学元件的面形精度评价。     

Importance of tip sensing for active control system of 30-m RIT primary mirror

The active control of 30-m ring interferometric telescope （RIT） needs edge sensing and tip sensing when its primary mirror is composed by trapezoid-shaped segments, and the imaging performance of the RIT is determined by the accuracy of these two detecting approaches. Considering the detecting accuracy available in current segmented telescope active control systems, the effect of these detecting approaches on the surface error of the RIT primary mirror is calculated from the point of error propagation. The corresponding effect on imaging performance （modulation transfer functions （MTFs） and point spread functions （PSFs） at several typical wavelengths） of the RIT primary mirror is also simulated. The results show that tip sensing is very important for increasing the active control quality of the RIT primary mirror under the present techniques.     

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。     

环扇形分块主镜的波面拟合及重构方法研究

用有限元分析获得了环扇形分块主镜的镜面热变形数据,分别用圆域Zernike多项式和环扇域Zernike多项式对其进行了波面拟合,比较了用两种多项式的拟合精度。基于哈特曼-夏克波前传感器对由环扇形镜面热变形引起的畸变波前进行了模式法重构,分析了用上述两种多项式重构时矩阵条件数和测量误差对重构精度的影响。     

基于反转光楔和泽尼克多项式的共形光学设计

采用一对反向旋转的累斯莱棱镜可以实现对目标视场的动态扫描,并应用一对内表面为泽尼克边缘矢高表面的透镜对共形光学整流罩引入的主要像差进行校正,剩余像差则由累斯莱棱镜内表面进行补充校正.设计实例中,通过比较光学系统校正前后的成像质量以验证这种校正方法的有效性.     

子孔径合成光学成像系统像质评价研究

由于子孔径合成光学成像系统出瞳波前离散,成像特征有异于常规光学系统.对比了两种子孔径合成光学成像系统的像质评价方法,其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参量,拟合成泽尼克多项式,通过快速傅里叶变换获得光学系统的调制传递函数;其二是对子出瞳波面在像面复振幅分布的衍射直接积分叠加计算系统调制传递函数.对于离散出瞳波前,拟合的泽尼克多项式不可避免有较大误差,由此计算获得的调制传递函数与实际测量值有较大区别.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干涉仪验证并对比了使用两种方法对像质计算的特点.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,且要获得更高的像质评价精度,应使用更适于表达离散不规则形状子出瞳波前的波函数.     

Phase compensation in non-Kolmogorov atmospheric turbulence

Zernike polynomial decompositions are used for investigating phase distortion induced by atmospheric turbulence in optical systems. Closed-form expression of the Zernike-coefficient variances is derived. The finite size of the receiver aperture is analyzed using the filter function which is also particularly effective in the theoretical analysis of lower-order aberrations like tilt terms and piston-removed phase variance. The outer scale of the non-Kolmogorov turbulence is considered. The result shows that the effect of finite outer scale attenuates low-order Zernike mode of optical distortion and longer outer scale can lead to more energy in the tilt terms. The generalized exponent can only enhance tilt terms and attenuate other Zernike modes of optical distortion. Further, for different outer scale and generalized exponent, the residual phase variance decreases with more modes of phase compensation.