大口径薄膜衍射主镜面形误差仿真分析

以理想坐标面为参考面,建立了大口径薄膜衍射主镜面形误差与波前误差的关系模型.首先建立了子镜面形误差模型;其次根据导出的子镜波前误差与大口径薄膜衍射主镜波前误差关系式,分别讨论了边缘褶皱面形和球面面形两种形变情况下不同区域子镜的形变允许范围;最终通过全体子镜的波前误差反向拟合Zernike多项式,得到了不同形变情况下主镜的低阶像差类型.研究结果可为成像系统的像差校正提供理论依据,对大口径薄膜衍射主镜的夹持装配有参考意义.     

同轴三反线阵空间相机宽视场波前误差的在轨检测方法

针对同轴偏场三反射镜系统,提出了一种宽视场波前误差检测方法。通过3个视场的波前误差检测,得到相应视场像差的Zernike多项式系数,利用该Zernike多项式系数减去设计误差后,随视场的变化为二次曲线,通过抛物线插值即可得到任一视场的Zernike多项式系数。仿真研究了Zernike多项式系数随视场的变化以及拟合精度等问题。仿真结果表明:对于原始设计误差,其Zernike系数随视场的变化需要用3次或4次曲线拟合;对于由主镜面形误差、次镜位置误差、次镜面形误差和三镜面形误差等引起的各视场波前误差,其Zernike系数随视场的变化可用直线或2次曲线拟合。通过事先存贮设计误差,仅需3个波前传感器即可实现全视场波前误差估计。Zernike系数估计误差在10-5量级。     

旋转平行光管主镜背部柔性支撑设计与仿真分析

针对光学动态靶标进行光电跟踪光端机的跟踪精度的测试时,旋转的光电平行光管由于离心场的存在导致主镜面型误差过大的问题,提出了一种基于挠性梁减小旋转平行光管离心工况下主镜面型误差的方法。文章首先针对主镜支撑点径向位置最优布局进行求解,其次在Isight优化平台上对主镜背部支撑挠性梁的关键设计参数进行尺寸优化,最终利用Sigfit软件分析了离心工况下主镜面型误差。采用优化后的主镜支撑方案,反射镜在1.64g离心力作用下,主镜面型精度RMS优于0.03λ(λ=632.8nm),组件一阶固有频率为167Hz。采用4D干涉仪对平行光管的波像差进行检测,检测结果表明,平行光管光机系统的波像差RMS值优于0.067λ。经过仿真分析与检测实验证明,采用挠性支撑的旋转平行光管镜的动态刚度与面形精度满足光学动态靶标的应用要求。     

大口径光学系统在轨调整补偿能力

随着航天遥感需求的不断提高,光学遥感器的口径越来越大,光学元件的支撑和重力变形对光学系统的影响难以消除,因此需要在轨调整光学元件位置变量,来补偿主镜面形误差引起的系统光学性能的下降。以一个大口径同轴三反射式光学系统为例,在理论上分析了次镜的倾斜、偏心和轴向位置引起的初级像差的变化,得出次镜的在轨补偿能力。利用Zernike多项式模拟主镜面形误差,通过调整次镜的位置自由度,分别补偿主镜的球差、彗差和像散,给出了仿真结果,并进行了工程可实现性分析。结果表明,次镜的位置自由度调整能够补偿主镜的彗差,并能够补偿一定量的像散,但是只能补偿小量球差。     

刻线误差与面型误差对平面光栅光谱性能影响的二维快速傅里叶变换分析方法

光栅刻线误差与基底面型误差影响平面光栅衍射波前、分辨本领、鬼线、卫线及杂散光等光谱性能,研究光栅性能指标与光栅刻线误差及基底加工误差之间的因果关系,对提高光栅质量极为重要。根据光栅衍射中产生的源于刻线误差与面型误差的光程差,推导出了在光栅锥面衍射情况下的光栅刻线误差、基底面型误差、入射角θ、衍射级次m与衍射波前关系的数学表达式,得到构建非理想光栅衍射波前的理论模型。以理论模型为依据,采用干涉仪测量光栅对称级次衍射波前,实现在测量结果中对光栅刻线误差与基底面型误差的分离,并基于二维快速傅里叶变换分析光栅衍射波前,考察了刻线误差与面型误差对光栅性能指标的影响。借助此方法通过重构的光栅衍射波前,分析光栅分辨本领、鬼线等光谱性能,还可以反演光栅全表面刻线误差与面型误差的大小,为光栅基底加工、光栅制造和使用技术提供理论依据。     

计算全息图案位置误差致波前误差的标定方法

通过对计算全息图检测非球面的误差进行分析,提出了一种用于计算全息图检测非球面过程中图案位置误差引入的波前误差的标定方法。该方法先设计检测过程中所需要的辅助波前和检测波前在计算全息基板上所对应的相位分布,再通过光场叠加的方式得到复合相位。辅助波前用于计算实际位置与设计位置的偏差,进而计算出位置畸变引起的检测误差,并将其从系统中消除。检测波前用于得到与非球面匹配的波前,进而对非球面面形进行检测,并提出了图案位置误差引入的非球面波前差的计算方法。为评估该方法的可行性,将复合相位所对应的计算全息图导入衍射计算软件中进行仿真,同时得到了平面、球面和非球面各个级次的衍射光斑,证明了该方法的正确性。     

曝光系统离焦对平面全息光栅衍射波前的影响

波前像差是衍射光栅的重要技术指标，它直接影响光栅的分辨率。由光致刻蚀剂记录两束相干光干涉条纹是制作全息光栅的关键步骤。为了提高全息光栅曝光系统调整精度、减小离焦、降低光栅的衍射波前像差，从离焦对反射球面准直镜的准直光平行度的影响程度出发，分析了准直光平行度对全息光栅衍射波前像差的影响。理论分析和数值模拟结果表明，准直镜调整误差直接决定全息光栅衍射波前像差大小。以3种不同刻线密度光栅为例，得出了准直镜调整误差的允许变化范围。     

角反射器阵列作为伪相位共轭器件的保真度分析

 研究了共光路共模块自适应光学系统中用角反射器阵列构成伪相位共轭器件,角反射器阵列形成伪相位共轭波的能力,具体计算了不同单元数的角反射器阵列形成具有Zernike多项式展开的各阶像差的波面的相位共轭的保真度。角反射器阵列的保真度决定于其单元数和阵列结构,对于不同类型的像差保真度也是不同的。最后对各种影响因素如衍射、二面角误差和面形误差等进行了分析。     

衍射拼接主镜厚度误差分析及分辨率增强实验

基于傅里叶光学的基本原理和稀疏孔径光瞳结构,建立了子镜与衍射拼接主镜厚度误差间的关系模型。在子镜无衍射结构一侧微变形情况下,给出了任意低阶面形误差引入的相位差的一般表达式。以球面变形为例,分析计算了面形误差的容许范围,并采用ZEMAX光线追迹法对结果进行了交叉验证。对于子镜双侧无变形的特殊情况,运用蒙特卡罗方法讨论了子镜间厚度的一致性对拼接主镜成像质量的影响,给出了正态分布条件下衍射拼接主镜相干成像时子镜厚度误差的方差与极值范围。根据理论设计结果加工了两片离轴衍射子镜,开展了双子镜拼接成像性能实验。实验结果表明,衍射拼接主镜能提高等效分辨率。     

拼接衍射望远镜的失调误差分析

拼接衍射望远镜的失调误差对光学系统的成像质量有重要影响,为此对拼接菲涅耳透镜的失调误差进行公差分析,推导基于瑞利准则的失调误差的理论计算公式,对包含口径为1.5 m的拼接主镜和消色差光路的光学系统进行公差分析。仿真结果表明,公差范围内的波前像差均满足瑞利判据与斯特列尔比,因此该公差分析可为衍射望远镜的装调和检测提供有效的理论指导。     

经纬仪主镜在支撑系统下的面形变化

为研究在重力作用下主镜支撑系统对经纬仪主镜处于不同工作角度时面形误差的影响,以600 mm口径主镜为研究对象,利用Abaqus软件分别建立了600 mm主镜在加工状态下和工作状态下的有限元支撑模型,并进行了重力变形分析,然后借助4D干涉仪对在不同支撑系统下的主镜进行相关的面形检测。实验结果表明,在吊带支撑系统和主镜室支撑系统下,主镜的自身面形误差RMS为16.18 nm和16.90 nm。利用有限元分析了理想状态的主镜在不同仰角工况下的面形误差,结合主镜自身的面形误差,计算得到了主镜面形误差在光轴由水平变化到竖直的过程中逐渐变大,其RMS最大为19.58 nm,表明该主镜室支撑系统具有良好支撑效果,可满足工程要求,同时也验证了主镜室支撑系统有限元理论模型的准确性。     

Φ1.3m望远镜的装调

针对Ф1.3m口径同轴四反望远镜镜头,提出了一种有效的装调方法。主镜口径为1.3m,采用背部双脚架(bipod)支撑形式。使用激光跟踪仪多边测量法对支撑结构精密定位,利用Stewart机构位置反解方法进行主镜位姿的调整;通过变换反射镜组件方位进行面形测量,提取重力作用造成的反射镜面形误差;利用Offner零位补偿检测光路进行基于干涉测量的反射镜定心,实现反射镜光学基准与镜头基准的传递;进行镜头的光轴竖直装调,采用测试镜头像高和在线标定标准镜面形的技术手段来提高装调精度与收敛速度。镜头的中心视场波前和边缘视场波前rms分别为0.053λ(λ=0.6328μm)和0.077λ。     

离轴三镜系统光学元件间补偿关系研究

分析了离轴三镜系统中光学元件调整变量间的补偿关系和面形误差与调整变量间的补偿关系.调整变量中偏心变量和倾斜变量的位置失调常常会产生同种像差,存在一定的相关性.从失调像差理论出发,通过平衡偏心变量和倾斜变量产生的初级像差,得到偏心变量和倾斜变量间的补偿关系.利用Zernike多项式模拟面形误差,建立面形误差与初级像差的关系,使面形误差与调整变量联系起来.通过计算机模拟,给定光学元件一定的面形误差,然后调整光学元件的偏心、倾斜和横向位移进行补偿,发现当次镜带有1λ像散的面形误差时,补偿后系统波前误差只下降了0.01λ RMS.     

10m大口径薄膜衍射主镜的色差校正技术研究

分析了薄膜衍射主镜的成像性能及色散特性,利用含有衍射面的反射式消色差光路校正了衍射主镜的强色散,使成像系统的工作波段达到40nm、视场达到0.02°,设计了10m口径、115.73m总长的短结构合成孔径薄膜衍射成像系统.结果表明,消色差光路将两边缘波长0.58μm与0.62μm之间的焦距差由5.34m减小到17.27μm.该研究提供了一种薄膜衍射主镜成像系统的设计方案,可为超大口径薄膜衍射成像系统的工程化研究提供参考.     

分块式空间望远镜波前传感及控制方法的仿真研究

分块式空间望远镜的波前传感及控制方法是实现高分辨率成像的关键.空间望远镜在轨展开后,由于空间环境及光学系统本身的特点,存在位置和面形误差,波前误差动态范围大、空间频率覆盖宽,需要采用分级校正的方法逐步减小误差.给出了波前校正流程及相应的波前传感及控制方法.利用Zemax软件建立了同轴偏场三反射镜系统仿真模型,并对主镜进行了分块设计.针对该系统模型,建立了分块式空间望远镜系统波前传感及控制集成仿真软件,通过分析分块主镜的波前误差校正过程验证了算法的可行性.     

大口径石英基底衍射透镜的高精度制备方法

针对传统接触式曝光过程中掩模版因自身重力产生形变从而引入不可忽视的线宽误差和位置误差的问题,提出了一种大口径石英基底衍射透镜的高精度制备方法.采用背面具有真空道的高平面度、高强度金属校正工装吸附在掩模版上,利用掩模版上下表面的压强差使其与工装高度贴合,确保掩模版的高平面度.待石英基底所有区域均与掩模版结构面紧密贴合后取下工装.完成接触式曝光和显影后,采用反应离子刻蚀技术对大口径石英基底进行刻蚀,最终得到高精度微纳米结构.经有限元分析,使用该校正工装后,掩模版的形变量由28.85μm减小为0.88μm.实验结果表明,采用该方法制备的口径430mm两台阶石英基底菲涅尔衍射透镜波像差优于1/25λ,平均衍射效率为38.24%,达到理论值的94.35%,具有良好的聚焦和光学成像效果.     

大口径平面镜的计算机辅助瑞奇-康芒检验

 在瑞奇-康芒检测中,被检平面本身所固有的像散和大曲率在被检系统波像差数据中都表现为像散。由于被检平面处于发散光路中,这就使得平面面形与系统波像差之间的关系(即影响函数)变得十分复杂,推导起来十分困难,只能进行定性或半定量检测。文中介绍了如何通过计算机光线追迹模拟瑞奇-康芒检验,在两个瑞奇角下得到两组影响函数,以此建立过定方程组,由干涉仪检测得到的两个不同瑞奇角下的系统波像差,通过最小二乘法解过定方程组,拟合得到被检平面镜的面形误差;实现了大口径平面镜的定量检测,并以平面镜直接检验的面形误差作为对比,检验结果的一致验证了该方法的准确性与可行性。     

全息曝光系统轴向调节误差对光栅衍射波像差的影响

光栅衍射波像差作为全息光栅重要的技术指标之一,直接影响光栅分辨率,其中曝光光学系统的调节误差是引起光栅衍射波像差的主要因素。采用q参数讨论了高斯光束在光栅曝光光学系统中的传播和变换,通过计算高斯光束经准直系统后的相位给出了叠栅条纹相位分布的解析表达式,由此系统分析了曝光系统调节误差与光栅衍射波像差的关系。理论分析结果表明:左右曝光光路准直系统的相对离焦对光栅衍射波像差的影响最为显著;相对离焦量相同时,光栅衍射波像差随曝光系统焦距的减小而逐渐增大;理论模拟的条纹分布与实验中获得的叠栅条纹能够很好吻合。     

多波段高功率激光扩束系统设计

 对透射式和反射式扩束系统应用于高功率激光扩束的优缺点进行了对比研究。采用次镜为凸抛物面,主镜为凹抛物面的无焦卡塞格林系统,运用ZEMAX光学设计软件,按激光扩束系统的扩束倍率和系统的波像差要求,设计出多波段高功率激光扩束系统。对用于高功率激光反射镜的基底材料进行分析,选用无氧铜作为基底材料;采用金增强的膜系设计,膜系从近红外到远红外宽光谱波段激光的反射率均在98%以上。面形精度均方根值优于λ/40(λ=0.632 8 μm)的平面镜作为基准镜,采用光学干涉方法对设计的激光扩束系统进行检测实验,结果表明：该扩束系统的扩束倍率为3.53,波像差为0.206λ,满足多波段高功率激光光束发射要求。     

微透镜阵列加工误差对光学性能的影响

研究了微透镜阵列加工误差对光学系统成像性能的影响规律,寻求利于改善光学性能的面形误差分布。对面形误差与波前像差之间的转换矩阵进行建模,使仿真与计算的波前像差达到纳米级的误差精度,选用具有正交性的Zernike多项式作为光学和机械的接口,表示加工后光学表面的面形误差,并分别作为干涉图数据引入到已设计的子眼透镜表面,量化分析不同位置下畸变、点列图、点扩展函数(PSF)、调制传递函数(MTF)的改变情况。分析结果表明相同形状分布下,面形精度峰谷(PV)值对光学系统畸变和MTF的影响呈现递变规律,并且点扩展函数的二维分布与视场位置存在明显的对应关系;相同面形精度下,向左和中心对称分布的面形误差使得畸变、点列图和MTF在一定相对位置得到改善,而降低了其他相对位置的光学性能。综合考虑各光学参数的变化情况,向右对称分布的面形误差分布对于改善光学系统成像性能有利,为实现成像质量的可控超精密加工制造提供了理论基础。