“宋”望远镜夏克哈特曼光学系统设计

根据中国宋标准节点望远镜系统要求,设计了用于望远镜波前误差测量的夏克哈特曼（S-H）传感器光学系统。从望远镜衍射极限成像和观测星等要求出发,对S-H的采样点数选取和波面重建精度进行分析计算,根据所选微透镜阵列和宋望远镜光学参数进行S-H准直镜的消像差设计,采用两组双胶合透镜实现了480 nm~680 nm波长范围的系统衍射极限成像。设计的系统能够实现6等星的目标测量,测量精度0.05。根据设计结果搭建了实验系统,对主镜初始状态和校正之后的波前误差进行了测量,并将S-H测量结果与4D干涉仪测量结果进行了比较。实验结果表明:所设计S-H系统测量精度0.008 m（RMS）,能够满足宋望远镜的技术要求。     

Ø500 mm阵列透镜波前采样器的研制

 设计加工了一个由484块单透镜组成的大口径阵列透镜,并设计了一套光束波前采样及测量实验系统。在实验过程中,合理匹配了阵列透镜波前采样器、CCD、成像屏和图像采集处理各系统参数,并讨论了该系统的动态范围和采样精度。利用平行光标定了该系统,且测量了大口径波前的像差,测量值与理论值相吻合。实验证明了阵列透镜波前采样器用于波前采样的技术可行性。     

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.     

φ500mm阵列透镜波前采样器的研制

设计加工了一个由484块单透镜组成的大口径阵列透镜,并设计了一套光束波前采样及测量实验系统.在实验过程中,合理匹配了阵列透镜波前采样器、CCD、成像屏和图像采集处理各系统参数,并讨论了该系统的动态范围和采样精度.利用平行光标定了该系统,且测量了大口径波前的像差,测量值与理论值相吻合.实验证明了阵列透镜波前采样器用于波前采样的技术可行性.     

?500 mm阵列透镜波前采样器的研制

设计加工了一个由484块单透镜组成的大口径阵列透镜,并设计了一套光束波前采样及测量实验系统。在实验过程中,合理匹配了阵列透镜波前采样器、CCD、成像屏和图像采集处理各系统参数,并讨论了该系统的动态范围和采样精度。利用平行光标定了该系统,且测量了大口径波前的像差,测量值与理论值相吻合。实验证明了阵列透镜波前采样器用于波前采样的技术可行性。     

基于光子计数的合作目标“量子”成像

在实验上研究了赝热光照明下, 基于光子计数模式的合作目标“量子”成像, 并给出理论模型和解释. 研究表明, 利用光子计数的单光子探测器代替以往光强度线性探测器作为桶探测器在“量子”成像中同样适用. 实验发现, 合 作目标的反射信号可穿透弱散射介质实现成像, 该技术在减小光学成像透镜孔径方面具有潜在的应用价值. 对比了基于强度关联成像和压缩感知算法的“量子”成像结果, 并得出实用性结论. 本文的方案为“量子”成像的实际应用提供了新方法.     

基于无波前传感的菲涅耳透镜像差校正实验

为提高薄膜菲涅耳透镜成像性能,采用无波前传感的自适应光学系统对菲涅耳透镜点目标成像的波前像差进行实验校正.像差校正控制采用随机并行梯度下降算法,以远场光斑像清晰度函数为优化指标,算法迭代数十次后收敛.系统闭环校正后,焦平面光斑等效半径缩小了43%,二阶矩为0.997 5,接近理想极限1,像清晰函数值和峰值光强提高了一倍,光强的半高全宽达到1.2倍衍射极限,调制传递函数的中频分量显著提高.实验结果表明该方法结实现构简单,能快速、有效地校正菲涅耳透镜波前像差,改善系统的成像性能,可应用于大口径、轻量化的空间望远镜.     

大倍率离轴无焦四反光学系统设计

空间引力波探测任务采用的是外差法激光干涉测量技术,其对系统的噪声和精度要求极为苛刻。望远镜是引力波探测天文台的重要组成部分,起到激光信号收发的作用,其光学系统应具备大倍率、高像质、杂光抑制能力强,波前误差一致性好的特点。针对上述要求,对大倍率离轴四反无焦光学系统进行了设计和优化。基于初级像差理论阐述了初始结构的求解方法。系统具有中间像面和可用的实出瞳,便于杂光抑制和与后端科学干涉仪的承接。优化过程中,建立了波前一致性优化函数,通过优化设计,系统入瞳直径为200 mm,放大倍率为40倍,科学视场为±8μrad,波前误差RMS值优于0.005λ,PV值优于0.023λ(λ=1064 nm),波前一致性残差RMS值优于0.0008λ(λ=1064 nm),在捕获视场±200μrad内的成像质量均接近衍射极限,并对系统公差进行了分析,满足引力波探测的应用需求。     

Shack-Hartmann波前传感器在光学检验中的应用

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器,以及相应的检测实验结果。在实验室内,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出传感器的测量精度优于/50 RMS(=632.8 nm)。在外场利用星光作为光源,对口径1 m、焦距11 m的望远镜进行了系统波像差检验,测量结果为0.39~0.46RMS之间,并随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为三阶像散。     

基于Talbot-Moiré法的长焦透镜焦距

 长焦距测量的Talbot Moiré法是研究热点,目前很多方法虽然都是基于Talbot现象和Moiré技术,但基本原理和实验方案各不相同,因此焦距计算公式也不相同。基于透镜位相变换作用,利用Talbot效应和Moiré条纹,通过图像处理的方法获得条纹的斜率变化,根据焦距与莫尔条纹斜率之间的关系求得透镜焦距。由于长焦透镜的焦距相对于被测透镜厚度大得多,完全可以看作是薄透镜对光束的变换,可用薄透镜对球面波的变换作用来近似表示其对高斯光束的变换。因此,该方法测量长焦透镜焦距对于高斯光束与非高斯光束焦距测量结果无差别,均适用。最后全面分析了该测量方法的误差及精度极限。在影响测量精度的各个误差因素中,光栅节距误差对焦距测量的影响最为显著。     

A new method to improve power efficiencies of optical systems with Cassegrain-telescope receivers

We presented a new method to improve power efficiencies of the optical systems with Cassegrain telescope receivers by using vortex sources with optimized parameters. A typical model of optical systems with Cassegrain telescope receivers was established and power losses in the optical system under the H-V 5/7 turbulence model were analyzed in detail. The calculating results showed that power efficiency of the optical system can be improved from 76.48% to 97.25%. A reduced-scaled experiment was carried out and the experimental results showed that power efficiency of the optical system can be improved from 71.89% to 90.60%.     

用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上,使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式,本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统,接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统,其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源,利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统,获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后,传输至0.5~5 km处的光斑分布情况,且激光波前像差RMS值均优于λ/20;对于接收系统,由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限,其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6,最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理,性能可靠,满足高能激光系统的工程应用需求。     

RGB三通道衍射望远镜光学成像系统设计

基于目前研究较热的大口径衍射望远镜技术，提出一种在可见光范围内进行成像的衍射望远镜光学系统方案。该方案解决了目前衍射望远镜存在的成像频谱范围较窄的问题，可以在可见光范围内获取彩色图像，设计方法是将衍射元件沿径向分为3个通道，分别对R、G、B三个颜色通道进行成像，每个通道的成像带宽为40 nm，通过控制系统参数使3个通道的像在像面处重合，获取彩色图像。设计了基于25 m口径衍射主镜的三通道望远镜光学系统，并对该系统进行建模仿真，仿真结果与设计理论相符。该方案可以增加成像的频谱范围，其像面光斑具有与单通道系统像面光斑近乎相同的主瓣宽度。     

Calibrating the HXMT collimators using diffuse illumination

We propose a new method to calibrate the HXMT collimators by measuring the optical point spread function (PSF) of the hard X-ray modulation telescope (HXMT). The light transmission of the collimator at different viewing angles with a camera and a diffuse backlight placed behind the collimator is measured. This method is much easier to accomplish than measuring the PSF with a parallel optical beam. The experimental results are very consistent with the simulations. The PSF of the collimator of the high energy X-ray telescope on HXMT is found to be in good agreement with the design, with accuracy better than 1 arcmin.     

一种大型望远系统波前检测的方法

 对传统S-H波前检测方法进行了改进的基础上，设计了一套适应于大型望远系统的波前检测方案。利用五角棱镜光束转向系统形成大型望远系统各子孔径准参考光束，实现依次扫描各子孔径；并用改进的S-H波前传感器实现依次探测各子孔径的波前。理论分析证明了由五角棱镜的制造误差和运动误差引起的波前倾斜误差在微变情况下，可通过波前修正方法予以修正，可有效地再现出望远系统自身波前误差。该方案可适用于大口径望远系统的波前检测。     

月基望远镜热设计及热分析

为了利用月球观测地球等离子体层的优势,开展了月基望远镜的研究,并对其进行了热设计和热分析.分析了月基望远镜所处的空间环境.对望远镜各个部分进行了热设计;采用被动热控措施控制望远镜的温度水平,降低空间环境的影响;采用热疏导的方式对探测器进行散热.根据月基望远镜的空间环境、结构特点,以及采取的热控措施,在I-DEAS/TM...     

一种高性能太阳敏感器复合光学系统设计

以夫朗禾费衍射理论为基础,结合微透镜,设计了一种高性能的数字式太阳敏感器复合光学系统。分析了光学系统的组成,建立了光学系统的数学模型,设计了光学系统的焦距、孔径和微透镜参量,并进行了成像的数值仿真。仿真结果表明,与基于掩模的光学系统相比,这种新型的复合光学系统成像光斑能量分布集中,保证计算光斑中心位置的高精度,使敏感器具有大视场和高精度的特点。     

车载红外探测设备的光机结构设计

为了实现空气质量的实时监测,设计了一种车载红外探测设备的光机结构。该结构采用大孔径、无焦反射式光学系统,即高精度扫描反射镜实现了方位和俯仰0～360°扫描。通过有限元方法对系统进行静力学分析,结果满足光机结构设计要求。用锤击法对样机进行了模态测试,并对车载环境下的设备进行了振动实验。结果表明,光机结构一阶频率为52Hz,相对于车载环境的12．5Hz具有足够的动态刚度及结构稳定性,可保证该设备正常工作。