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。     

基于波前法的光栅拼接误差检测及计算方法

光栅拼接法是目前制作大尺寸平面衍射光栅的重要方法之一,而拼接误差是评价拼接光栅是否能够使用的重要指标之一。实时定量测量拼接误差,能够实现对拼接误差的自动闭环调整,通过实时指导拼接提高光栅拼接的精度。建立了衍射波前与光栅拼接误差关系的数学模型,分析了干涉仪测量光栅拼接误差的原理,用ZYGO干涉仪实现拼接光栅0级及-1级衍射波前的数字化定量提取,分析并计算了拼接误差波前,得到五维拼接误差的数值解。利用拼接光栅-2级的衍射波前验证五维拼接误差结果的准确性,实验结果表明由0级、-1级、-2级拼接波前计算的拼接误差具有较好的一致性,为利用波前检测光栅拼接误差并实现自动化闭环调整提供了理论指导。     

分块拼接望远镜的数值仿真

为了更好地了解拼接望远镜光学系统的光学性能,对拼接主镜中分块镜的各种误差对望远镜光学系统的影响进行有效的分析计算。从几何光学入手,采用光线追迹方法,建立了拼接望远镜光学系统的数值仿真模型。利用该模型,可以模拟不同口径和分块镜数拼接望远镜的光学系统;可仿真分析拼接主镜中分块镜由于轴向平移、倾斜、旋转和径向平移等各种误差引起的波像差以及对远场图像的影响。并计算了不同误差项对光学系统斯特雷尔比的影响,为发展大口径望远镜提供技术支持。     

非球面扇形分块镜的拼接误差仿真与反演

根据红外望远镜2m非球面拼接主镜的要求,通过非球面方程导出波像差表达式,建立波像差与干涉亮纹之间的关系,建立ZEMAX模型,编写MATLAB程序对拼接误差与干涉条纹的泽尼克多项式像差之间的关系进行仿真.提出基于误差灵敏度矩阵实现误差线性反演的方法,建立整个拼接镜的误差反演算法,并对单个扇形分块镜的拼接误差进行反演.结果表明当拼接平移误差小于1mm或倾斜误差小于1°时,反演误差优于3%且迅速收敛,当拼接误差小于0.1mm或倾斜误差小于0.1°时,反演误差优于0.5%,且随着拼接误差的继续减小而趋近于零.该反演方法准确度高,算法简单,有效,适合工程应用.     

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。     

基于DenseNet的散射成像景深拓展研究

针对拼接干涉测量技术除了引入拼接误差，还将引入机械运动误差的问题，为此提出一种X射线反射镜的非零位干涉测量方法，无需拼接便可实现零回程误差的高精度干涉测量。利用一块高精度平面镜来标定干涉系统在全视场范围内的回程误差。通过将待测非球面镜划分成多个子孔径，每个子孔径可近似看作一个平面，这样可以从标定数据库中找到该子孔径所对应的回程误差，通过简单的矩阵拼接可得到整个待测非球面镜的回程误差。以X射线椭圆柱面反射镜为例进行实验，实现X射线椭圆柱面反射镜非零位干涉测量面形的回程误差有效标定，相比于拼接干涉测量方法二者结果一致性较好，证实所提方法的正确性。     

基于卷积神经网络的高精度分块镜共相检测方法

为获得与单口径望远镜相当的空间分辨率,使成像系统成像质量达到或接近衍射极限,拼接主镜式望远镜的分块子镜应确保实现共相位拼接,本文针对拼接主镜式望远镜高精度平移(piston)误差检测问题,提出了一种基于卷积神经网络的高精度平移误差检测方法.通过在成像系统的出瞳面上设置具有离散孔的光阑,构建了对平移误差极为敏感的点扩散函数图像数据集,根据此数据集的特点搭建了具有高性能的网络模型,并测试得到网络的最佳检测范围.仿真结果表明,在略小于一个波长的捕获范围内,单个网络能够准确地输出一个或多个分块子镜的平移误差;应用于六子镜成像系统时,平移误差检测精度达0.0013λRMS (root mean square),并且方法对残余倾斜(tip-tilt)误差、波前像差、CCD噪声、光源带宽具有良好的鲁棒性.该方法简单快速,可广泛应用于分块镜系统的平移误差检测.     

拼接式反射镜共相误差检测

基于圆孔衍射理论,设计了一套拼接式反射镜的共相误差光学检测系统,并采用双波长窄带共相算法实现对合成孔径拼接镜的共相检测。方案中设计了圆孔掩模板、相位板和微棱镜阵列,通过数值仿真得到子镜间存在一系列台阶差时的圆孔衍射模板图样,再将待测图样与模板图样进行相关匹配,获得当前子镜间存在的台阶差。在将检测方案应用于拼接镜检测之前,通过相位板在光路中引入已知量相位差进行模拟实验,对衍射图样进行采样和匹配;实验结果验证了方案的可行性,可实现对合成孔径拼接面进行较高精度的共相检测。     

基于主观式测量人眼波前像差的眼模型研究

通过主观式光线追踪波前像差测量方法得到用Zernike系数描述的人眼波前像差;在Gullstrand-Le Grand眼模型的基础上,引入用医用角膜地形图仪测量并用高次非球面函数拟合的实际人眼角膜形状数据,又引入角膜、前房及玻璃体厚度等个体化的眼结构参数;在光学建模软件Zemax中用所测Zernike系数建立评价函数,并对用Zernike矢高面描绘的晶状体表面进行优化.由此建立了个体化眼模型,并由此模型中可以计算得到与实际测量的波前像差值完全相同的各项Zernike系数值,从而可用于描述实际人眼的光学特性.     

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.     

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。     

拼接主镜光学系统展开误差的分析

提高光学系统分辨率的主要方法是增大光学系统的通光口径,而使用子镜拼接得到一块等效大口径主镜是增大通光口径的常用方法。拼接主镜光学系统入轨后子镜进行展开,展开位置与设计位置偏差大小决定光学系统成像质量好坏,因此需要对子镜展开位置的精度进行分析。使用光学软件对拼接主镜光学系统建模,调整子镜6个自由度的位置误差得到其与系统成像质量的关系曲线。结果表明,针对不同位置的子镜,相同位置误差产生的系统波前误差的均方根(RMS)值大小不同,中层子镜对沿着X轴方向的移动敏感,而外层子镜对沿着Y轴方向上的移动敏感。通过对每个子镜单独分配位置误差与每个子镜分配相同的位置误差两种方式对子镜的展开精度进行误差分配,结果表明在产生相同波前误差的情况下,单独对每个子镜位置误差进行定义的精度相对较为宽松。     

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。     

大气湍流三维波前探测模式层析算法分析

大气湍流三维波前探测是实现多层共轭自适应光学技术的关键和前提. 对湍流三维波前探测中最常用的模式法层析技术进行理论研究与分析, 提出该算法存在原理性限制, 并基于此对模式法层析技术产生误差的原因展开分析, 最后针对不同类型的模式层析重构误差给出数值仿真实验结果.分析表明, 模式层析重构中使用了Zernike分解基的一部分作为新的分解基进行波面拟合, 从而引入模式混淆和模式耦合两个方面的误差; 部分Zernike分解基不相关是避免模式混淆误差的必要条件, 模式耦合误差则无法避免. 最后结合仿真结果提出大视场探测、小区域重构的方法, 很好地抑制了模式耦合误差. 关键词： 三维波前探测 大气层析 模式法 误差分析     

模式耦合对倾斜校正自适应光学系统的非等晕限制

分析了当入射信标波前与观测目标不在同一方向且考虑模式之间的耦合时,倾斜校正自适应光学系统的波前残余误差。并引入模式耦合因子变量,分析了模式耦合对倾斜校正自适应光学系统波前校正残余误差的影响。此外还给出了光波水平大气传输时的数值计算结果。     

模式耦合对倾斜校正自适应光学系统的非等晕限制

 分析了当入射信标波前与观测目标不在同一方向且考虑模式之间的耦合时,倾斜校正自适应光学系统的波前残余误差。并引入模式耦合因子变量,分析了模式耦合对倾斜校正自适应光学系统波前校正残余误差的影响。此外还给出了光波水平大气传输时的数值计算结果。     

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。     

相位差波前检测方法应用于平移误差检测的实验研究

相位差波前检测方法由于其结构简单,对环境要求低,测量精度较高等优点,被应用于诸多领域.本文针对拼接型天文望远镜中主镜的共相位检测问题,对相位差波前检测方法在拼接主镜各子镜间平移误差测量进行理论分析,并搭建了实验光路.实验结果表明:相位差波前检测方法对拼接镜平移误差的测量精度高于λ/20(λ为波长),满足系统对拼接平移误差的要求.     

基于模型选择的模式波前重构算法研究

基于Zernike模式的波前重构算法通常忽略实际波前像差构成的差异, 而用一定数量的低阶Zernike模式进行波前重构, 导致模式混淆或耦合等问题, 进而影响波前重构的精度. 根据信息论中的最小描述长度准则对重构模型的阶数进行了选择, 在此基础上应用非线性优化算法计算重构系数, 并最终实现波前重构; 对不同信噪比条件下振幅均匀分布入射光束的波前进行了重构. 结果表明: 该算法不但能够实现相对于现有算法相对较高的波前重构精度, 并且具有优良的噪声适应性, 体现了模型选择在模式法波前重构算法中的意义.