Design optimization of a tapered mirror for microfocusing optics

A facile microfocusing optical design is presented which is optimized for less slope error against the traditional tapered mirror. The essential idea of the innovation is based on the characteristics of the slope-error curve for the prototype. The relationship between the mirror shape of the improved model and the driving moments is established. Analytical results have been compared with the results of the prototype. The design demonstrates theoretically that smaller slope error is obtained with longer active length.     

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。     

多电极静电拉伸薄膜反射镜的光学检测

利用研制的φ300 mm口径多电极薄膜反射镜原理样机,开展了光学检测实验工作.利用高斯光学原理对薄膜反射镜的基本光学参数进行了检测,获得了随电压变化的薄膜反射镜曲率丰径和最大变形值曲线,趋势与理论计算结果一致.对薄膜反射镜的面形特性和面形检测方法进行了分析,采用激光干涉仪测试了无电压时中心区域的平面面形,RMS值为1....     

同步辐射压弯镜重力补偿方法

介绍了同步辐射压弯镜重力引起的面型斜率误差及评价标准。根据梁的弯曲理论,提出了力矩加多点力补偿重力的方法,以上海光源XAFS光束线(BL14W)中的压弯镜为例,计算出力矩加两点力、力矩加三点和力矩加四点力补偿的最小斜率均方根误差分别为0.092,0.041,0.022 μrad。补偿结果的对比表明,当镜子两端有力矩补偿时,各补偿力相应减小,力矩加两点力、力矩加三点力和力矩加四点力补偿的面型斜率误差分别为没有力矩补偿时的52%,61%,68%。力矩加多点力补偿重力的方法明显优于多点力补偿重力的方法。     

Synchrotron X‐ray tests of an L‐shaped laterally graded multilayer mirror for the analyzer system of the ultra‐high‐resolution IXS spectrometer at NSLS‐II

Characterization and testing of an L‐shaped laterally graded multilayer mirror are presented. This mirror is designed as a two‐dimensional collimating optics for the analyzer system of the ultra‐high‐resolution inelastic X‐ray scattering (IXS) spectrometer at National Synchrotron Light Source II (NSLS‐II). The characterization includes point‐to‐point reflectivity measurements, lattice parameter determination and mirror metrology (figure, slope error and roughness). The synchrotron X‐ray test of the mirror was carried out reversely as a focusing device. The results show that the L‐shaped laterally graded multilayer mirror is suitable to be used, with high efficiency, for the analyzer system of the IXS spectrometer at NSLS‐II.     

两种自适应光学系统中哈特曼波前传感器与变形镜的对准误差

利用直接波前斜率法和变形镜的电压一面形响应特性，研究了常规自适应光学系统和共光路／共模块(CP／CM)自适应光学系统中哈特曼波前传感器与变形镜的对准误差。常规自适应光学系统中，可以用重新测量变形镜的影响函数以减小对准误差的影响，虽并不能消除其影响，但系统都会有很大的调整容差；共光路／共模块自适应光学系统中采用不同的双哈特曼数据处理方法，哈特曼波前传感器与变形镜的对准精度对系统校正能力影响是不同的，采用加修正因子斜率融合法和电压融合法由于在数据融合时考虑了两台哈特曼传感器与变形镜对准的差异，所以对准误差的影响与在常规自适应光学中相同，系统都会有很大的调整容差，而采用直接斜率融合法的共光路／共模块系统由于是建立在两台哈特曼传感器完全一致的假设基础上，所以对对准精度的要求是很高的。分析过程中给出了相应的数值计算结果。     

同步辐射用光学元件面形绝对检测方法的研究

为实现同步辐射用光学元件面形的绝对检测,发展了镜面旋转对称三平板检测法。该方法将菲佐干涉法检测到的波前函数关于y轴分解成镜面对称部分与镜面非对称部分,再利用N次旋转取平均值消除镜面非对称部分,从而通过计算获得待测平面的绝对面形分布。推导了镜面旋转对称法检测矩形平面镜面形的公式,应用该方法设计了高精度矩形平面镜的测试实验,并进行了误差分析。实验结果表明,与传统三平板绝对测量方法相比较,两种方法在高度轮廓误差和斜率误差方面的计算结果都符合较好,其对比后的残差均方根(RMS)值分别为λ/500(λ=632.8nm)与0.93μrad。     

一种自适应光学闭环系统预测控制算法的仿真研究

介绍了校正大气湍流畸变波前像差的自适应光学系统中,基于预测控制技术对变形镜控制电压进行预测以减少自适应光学系统中时间延迟误差的方法.对受横向风影响的大气湍流畸变波前斜率数据,利用数值仿真方法,研究了基于递推最小二乘(RLS)算法的线性预测控制算法对自适应光学系统变形镜控制电压进行超前预测的方法,并与采用比例积分(PI)...     

光电经纬仪主镜面型误差主动补偿技术研究

光电经纬仪俯仰动作时,引起主镜的面型误差,从而影响整个光学系统的准确度,以往主镜支撑结构采用被动式补偿方式,来保证实际面型最大误差在设计指标之内.本文基于压电陶瓷主动面型补偿技术,通过对俯仰变化引起面型误差曲线的实时修正,来主动控制主镜装调和动作引起的面型误差.使用光机系统联合仿真方法,拟合主镜面型误差,然后采用压电陶瓷的主动补偿技术修正面型误差,能够使原主镜峰值下降到66.9 nm,均方根最大值下降到12.9 nm,满足15.82 nm的均方根要求.基于压电陶瓷的主动面型补偿技术不仅可以很好地实时补偿主镜的动态面型误差,提高光学系统的像质清晰度和视轴稳定性,对大口径高准确度主镜系统的装调与动态检测有重要的意义.     

Ф210mm超薄超轻SiC反射镜多目标集成优化设计

为了提高轻小型碳化硅反射镜的面形精度并减轻其加工成本,针对某空间相机的Φ210mm SiC反射镜进行超轻量化设计.采用背部三点支撑并优化支撑点的位置,通过拓扑优化,得到反射镜背部需保留和可去除材料的分布情况.结合背部开放式、三角形孔的轻量化方案,确定反射镜轻量化结构的初始模型.应用多目标集成优化方法,建立以反射镜重量和X向自重工况面形为目标,Z向自重工况面形值为约束的优化模型,对该反射镜进行了优化设计.优化后反射镜的X向自重工况下RMS值仅为0.18nm,Z向自重工况下RMS值为2.38nm,重量仅为0.568kg,面密度达到16.9kg/m~2,X、Y、Z三向基频都在500Hz以上.本文设计的反射镜结构有良好的力学性能,本文优化设计方法是合理有效性.     

补偿透镜法检验抛物面镜的调整误差分析

本文以抛物面镜为例定量分析了用补偿透镜法检测其面形误差时调整误差的特点及其对检测结果的影响关系;建立了计算调整误差的数学模型,并给出了计算实例。实践证明,计算和分析结果对指导非球面检测中的调整以及调整装置的设计都有很大实际意义。     

气动驱动变厚变曲率反射镜技术

以环形线负载驱动模型为基础,分析了环形线负载驱动变曲率反射镜难以兼顾大中心形变与高精度面形保持的原因;从薄板弹性理论出发,得到了一种气动驱动变厚变曲率反射镜物理模型.理论分析表明,将反射镜的厚度分布从等厚改为变厚,并采用气压均匀驱动替代推力环环形驱动,反射镜不仅能产生大的中心形变,而且在形变过程中的面形精度也远高于环形线负载驱动变曲率反射镜的.基于超硬铝反射镜样片的试验验证了对变厚变曲率反射镜的理论分析;试验中,反射镜初始面形精度接近λ/50(632.8nm),施加0.032 MPa驱动气压产生约22μm中心形变时,反射镜面形精度依然优于λ/20(632.8nm),证明该气动驱动结合变厚设计这一技术具有较大的应用潜力.     

快速倾斜镜的建模与模型参考自适应控制技术研究

通过实验建模方法建立快速倾斜镜四阶模型,采用routh降阶方法将快速倾斜镜四阶模型降为二阶模型,数学仿真验证了简化模型较好的反映了原系统主要性能。提出的建模方法对快速倾斜镜的准确建模是简便、有效的,为现代控制理论的研究提供了数学基础。在建立二阶模型的基础上,设计了基于李亚普诺夫稳定理论的模型参考自适应控制器,并进行了全系统的计算机仿真。仿真结果表明,针对快速倾斜提出的基于李亚普诺夫稳定理论的模型参考自适应控制器能够减小系统稳态误差、提高系统响应速度。研究结果为倾斜镜的快速控制提供了一种新的思路。     

矩形口径离轴非球面镜的加工与检测

介绍了240mm×180mm矩形口径离轴双曲面反射镜的加工与检测。提出了一种通过配块把矩形镜拼接成母镜来实现离轴镜加工的方法。完成了最佳比较球面和最大非球面度等工艺参数的计算。抛光阶段的非球面检测采用零位补偿法,其中零位补偿器是补偿检验中的关键元件。该离轴双曲面镜的最终面形RMS达到了0.02λ,满足了设计要求。     

空间太阳望远镜主镜支撑结构的优化设计

空间太阳望远镜主镜是有效口径为1m的抛物面镜,工作状态需要达到衍射极限,因此光学系统要求主镜面形误差小于λ/40(RMS),精度主要靠主镜支撑结构来保证。主镜支撑结构应满足地面调试、在轨及发射状态的需要。支撑结构试验样机已经加工完成,地面调试结果表明主镜的镜面变形满足整个光学系统的要求。试验样机强度和刚度还有较大余量,结构本身比较复杂。用有限元分析方法进行优化设计,优化后的主镜支撑结构满足地面调试、在轨及发射状态的需要,也能保证主镜的面形满足整个光学系统的要求,有效减轻仪器重量、简化支撑结构的同时,提高了整个仪器的可靠性。     

Beam Waveguide Reflector with Integrated Direction-Finding Antenna for In-Situ Alignment

An in-situ alignment system for beam waveguides based on an interferometric direction-finding antenna was investigated numerically and experimentally. The system consists of a reflector with four off-central positioned waveguide couplers in two directions. By nulling the difference of the power signals as well as the mixing signal from each coupler pair, spatial and angular alignments of a beam impinging on the mirror can be performed.In this paper, the characteristics of such a mirror are presented, and the design of a prototype intended for use in an ECH transmission line at LHD is described. Low-power as well as high-power tests at a frequency of 82.7 GHz were carried out, and the results are discussed. The device shows a high performance in agreement with theory.     

A compact bike head lamp design based on a white LED operated at one watt

A design of a compact bike head lamp meeting the K mark regulation based on a white LED by Cree XP-C is presented. The proposed design contains three parts, one is a parabolic mirror, another is a flat mirror and the other is a lens. The design performed a contrast of 66.7 across the cut-off line by the K-mark regulation, and a prototype fabricated by a simple CNC machining was measured a contrast of 12.4 across the cut-off line. The successful design requests the LED operated at only 1 W, and it enables an user to operate the lamp longer with energy saving.     

空间相机中主镜及其支撑方案设计与分析方法

叙述了现代空间相机对主镜的特殊要求。总结了主镜对空间相机性能具有重要影响的主要因素,即形状、材料、轻量化形式、支撑方式、微重力的影响和热尺寸稳定性等,并说明了在设计时应考虑的问题。重点论述了在对主镜进行分析时的多学科集成仿真方法、一般分析过程和迭代仿真分析策略,以及有限元法的工程分析的误差和光学元件面形评价方法。实践证明,该研究方法在空间相机设计与制造中是切实可行的。     

基于MEMS微镜的长波近红外光谱仪的设计与实现

为适应光谱仪微型化、集成化的发展趋势,详细分析了MEMS微镜应用于微型长波近红外光谱仪的方法和涉及的主要问题,例如分光系统的设计、MEMS微镜的选择、探测器与前置放大电路的设计等。并将50 Hz谐振频率、峰峰驱动电压为10V的MEMS微镜、高灵敏度的InGaAs单元探测器,结合立特罗式分光光路,设计和实现了900～2 055 nm波段的微型长波近红外光谱仪样机,其中1 000～1 965 nm谱段的光谱分辨率介于9.4～16 nm之间。采用MEMS扫描微镜技术后,一方面简化了光谱仪中的复杂机械结构,使尺寸可以更小;另一方面实现了单探测器的长波近红外光谱仪,与阵列长波近红外探测器光谱仪相比,成本有所降低。作为应用实例,此样机成功对纯水以及乙醇-水溶液的长波近红外光谱进行了测量,实现了乙醇-水溶液的浓度预测分析,其中本样机测量的纯水长波近红外光谱与文献相符。     

Normalized point source sensitivity analysis in GSSM prototype

The Giant Steerable Science Mirror(GSSM) is the tertiary mirror of the Thirty Meter Telescope(TMT).To evaluate the performance of GSSM,normalized point source sensitivity(PSSn) is investigated.Calibration and metrology allow the estimation of telescope performance at different zenith angles.PSSn also realizes the prediction of the TMT main mirror assembly optical performance.The relationship between PSSn and slope root mean square(RMS) is analyzed theoretically when evaluating the performance of GSSM.First and foremost,the pointing performance of the GSSM prototype(GSSMP) is specified by PSSn and calibrated by a laser tracker.Then,the tracking performance influence on PSSn is taken into consideration.The jitter of the GSSMP also contributes to the degradation of PSSn,and it is also discussed.Lastly,the interaction between GSSM and the main mirror unit is also revealed by PSSn.