透射波前Zernike系数与波长的函数关系研究

波前像差可以很好地反映光学系统的性能,波前检测结果通常用一组Zernike多项式线性组合表示。透射式光学系统波前需要在特定波长下检测,由于检测仪器的限制,目前只有少数波长的波前可以得到准确检测。提出一种新的思路,通过分析透射波前Zernike系数与波长的函数关系,间接反映波前随波长的变化规律,从而实现任意波长波前的检测。利用Zemax对光学系统建模,采集光学系统在不同波长时的波前Zernike系数,通过Matlab曲线拟合工具寻找Zernike系数与波长曲线可能存在的函数形式,并最终确定了Conrady-Zernike公式。模拟的光学系统使用这种解析式计算所得Zernike系数的最大误差在1%以内。结果表明透射式光学系统的波前Zernike系数与波长之间基本符合Conrady-Zernike公式的关系。     

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.     

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.     

非均匀激光辐照下硅镜热变形对光束传输特性的影响

 使用有限元法计算了硅镜在DF化学激光器非稳腔输出的中空非均匀激光辐照下镜面温升和反射面面形随时间变化的特性,使用65阶Zernike多项式对镜面面形进行了曲面拟合,使用光线追迹的方法计算了平行光束经不同数量硅镜反射后的光束波前分布PV值、Strehl比和Zernike像差系数随时间变化的特性。计算结果表明：在典型的DF激光器输出的中空方形光束辐照下,硅反射镜的热变形将使反射光束产生波前畸变,波前畸变中,y方向像散项占据主要地位,其次是离焦项;随着激光系统中反射镜面数量的增加,高阶像差系数将逐渐增大,且波前PV值与反射次数成线性关系。     

基于接触有限元方法的镜面面形仿真技术研究

为考察在外载作用下某镜体镜面面形的变化是否满足设计要求,研究在预紧力及重力作用下镜面面形的变化规律,使用接触非线性有限元方法对镜体组件进行了仿真,采用基于Zernike多项式的光机集成仿真接口程序对面形数据进行了处理,得到了消除刚体位移后表征面形变化的参数和表示刚体位移系数的分布曲线。结果表明在预紧力和重力作用下刚体位移明显,镜面平移占据了刚体位移的主要方面,基于集成仿真技术的面形处理程序可有效地消除刚体位移;预紧力存在在不同方向重力作用下对面形的影响略有不同,与预紧力相比,重力作用对面形的影响较小。在预紧力作用下面形仿真数据对于镜体设计、装调具有一定指导意义,也说明基于接触方法面形仿真的工程适用性。     

Randon变换在区域结构函数坍陷中的应用

为了更好地利用区域结构函数评价大口径反射镜表面面形,引入了Randon变换作为区域结构函数坍陷的工具。对于使用Randon变换进行区域结构函数坍陷的具体实现方法进行了讨论;之后考虑到Zernike多项式可以很好地模拟系统的低阶波像差,故利用此方法对于Zernike多项式的区域结构函数进行坍陷;然后将此方法应用于米级口径的反射镜表面面形检测数据以及30m望远镜(TMT)三镜面形仿真数据,验证了理论的正确性与方法的可行性。对于大口径反射系统的设计、检测与加工都有较好的指导意义,同时为30m望远镜三镜项目的最终完成提供助力。     

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。     

高分辨率空间望远镜分块主镜位置误差的在轨校正

针对同轴偏场三反射镜系统用Zemax软件建立了主镜分块模型,提出了基于灵敏度矩阵反演的分块镜位置误差校正方法.对于非圆形的环扇形分块镜,采用环扇域正交的Zernike多项式拟合出瞳波像差.仿真计算了分块镜的灵敏度矩阵,验证了分块镜位置误差和出瞳像差变化量间的线性关系.仿真结果表明,当分块镜具有五个校正自由度时可以将光学系统恢复到设计状态,当分块镜只有三个校正自由度时会有少量剩余误差.     

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。     

衍射主镜面外拼接误差分析

多子镜拼接的方法可实现大口径菲涅耳衍射透镜制作,但拼接误差会对光学系统的成像质量造成影响。通过衍射光线追迹和波前恢复的方法,正向得到了子镜沿自身x′轴倾斜、y′轴倾斜、z′轴平移等面外误差与对应波前误差Zernike系数的数据库。利用数据库基于反向传播神经网络优化算法反向建立波前误差Zernike系数与对应面外误差的非线性耦合映射模型,可实现通过输入Zernike系数完成对面外误差耦合扰动情况的快速求解,运用带有符号的数值判定面外误差的大小及方向。对该模型进行模拟数值计算,验证了该方法的精度及可靠性,为衍射拼接主镜的共面检测、装调提供理论依据。