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。     

大口径光学合成孔径成像技术发展现状

简明介绍了光学合成孔径的两种成像方式和光学波段合成孔径的发展概况。全面介绍镜面拼接、稀疏孔径和位相阵列3种合成孔径结构系统国内外发展现状。归纳出了目前光学合成孔径技术在天基和地基观测系统的发展趋势及技术难题。与传统单一口径的光学系统相比,光学合成孔径系统具有更高的分辨率、镜面加工难度低、易折叠、重量轻等特点,是实现高分辨率光学成像系统的一种重要且有效途径。     

拼接误差对拼接式大口径反射镜成像质量的影响

以由七片边长为0.5 m的正六边形子镜组成的拼接式大口径反射镜为例,理论分析和数值模拟各种拼接误差对成像质量的影响.利用傅里叶变换的特殊性质简化求解大反射镜的点扩散函数过程并推导各种误差下的解析表达式.采用快速傅里叶变换数值模拟边缘失配误差、平移误差及倾斜误差情况下的点扩散函数,并根据光学系统的成像原理模拟成像效果.结果表明,边缘失配误差对成像质量无影响,而平移误差影响较大,倾斜误差影响相对较小.     

拼接式编码器测角误差分析及试验

根据望远镜测角系统的精度需求,分析了影响拼接式编码器测角精度的误差源,以及多读数头测角消差原理,确定了采用相位相差90°的4读数头的测角方式。在某望远镜方位轴系转台进行了逆时针和顺时针方向的测角试验,通过对测角数据进行谐波分析并补偿后,得到两组实验测角误差RMS分别为0.34"、0.38"。实验表明,相位相差90°的均布4读数头的测角方式消除了由轴系误差、编码器安装位置误差和钢带安装盘部分圆度误差对测角精度的影响,实现了亚角秒级测角的目的。研究结果可用于大口径望远镜设计阶段的误差分析与分配、预估测角精度,为降低设计和加工误差提供参考。     

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。     

大口径光学望远镜拼接镜面关键技术综述

随着天文探测的不断发展,望远镜的口径越来越大,拼接镜面技术为大口径望远镜主镜的设计提供了一种比单镜面形式更简单可行的替代方案,现已成为大口径望远镜主镜设计的重要途径。本文以詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)和三十米望远镜(TMT)等典型拼接式望远镜的主镜设计为参考,总结了当前拼接镜面技术的发展现状;并阐述了在大规模子镜背景下,不同子镜拼接方案的性能差异,以及镜面支撑技术和共相检测技术的未来发展趋势,希望可以为我国下一代极大口径光学望远镜的自主研制提供参考。     

拼接式钢带光栅编码器测角误差分析与修正

针对望远镜对高精度测角技术的要求,分析了机械安装偏心、加工椭圆度误差、轴系晃动等对新型拼接式钢带光栅编码器测角的影响,并制定了相位差为90°的4读数头软件细分测角方案。在机械安装偏心为10μm、加工椭圆度为2μm、轴系晃动为0.6″的实验平台上进行了逆时针和顺时针测角实验,两组实验测角误差RMS值分别为0.393″和0.488″。实验表明：该测角方案能消除机械安装偏心、加工椭圆度误差等对测角数据的影响,实现了亚角秒级测角。     

子孔径拼接检测光学系统波前机械定位误差补偿算法

为了实现大口径光学系统波前子孔径拼接干涉测量,保证子孔径采样数据准确定位,提出了子孔径拼接定位补偿算法。介绍了该算法原理,分析了该算法子孔径定位误差补偿能力。首先根据被检光学系统和子孔径口径大小规划出采样子孔径布局,在子孔径采样装置机械精度误差范围内对子孔径进行拼接,根据所求子孔径定位误差补偿系数和调整误差系数,得到被检全孔径波前,完成大口径光学系统波前的拼接检测。通过仿真验证了该算法的可行性,在机械平移定位精度为1 mm和转动角定位精度为0.5°时,用该算法实验检测口径为200 mm的光学系统平面波前。检测结果表明该算法稳定可靠,能有效补偿机械精度引起的子孔径定位误差,从而可放宽对机械定位精度的要求。     

基于色散条纹传感器的拼接镜面共相的实验研究

研制极大望远镜的拼接主镜时,为使得望远镜系统成像质量达到衍射极限,子镜的定位精度需要满足共相位要求,那么必须对子镜之间的平移误差进行实时精确检测和校正.在对色散条纹检测和色散哈特曼检测原理分析的基础上,建造了一台色散条纹传感器,并在室内拼接镜面主动光学实验系统上开展检测实验,验证了检测信号和平移误差之间存在确定的函数关...     

空间望远镜分块式主镜共相位调整的优化算法研究

以应用主动控制系统进行分块镜共相位调整的大口径空间望远镜为研究对象,分析了分块式主镜致动器位移与相位误差之间的对应关系以及共相位调整的目标。研究采用一种求解非线性约束问题的序列二次规划法优化求解主镜致动器的位移控制指令,校正分块式主镜相位误差。数学仿真结果表明,应用序列二次规划法对分块式主镜进行共相位调整优化,控制精度得到了很大地提高。     

校正空间分块镜复位误差所需的最少自由度的确定

可收展式分块镜共相位成像技术是实现光学系统超大口径、超高分辨率成像的关键技术。分块镜复位误差会引起各子镜之间的共相位误差和整个拼接镜面的面形误差。合理确定校正分块镜复位误差所需的自由度具有非常重要的意义。计算机仿真分析了分块镜的复位误差对拼接镜面面形误差的影响。结果表明,所需的校正自由度的个数不仅与展开机构的复位精度有关,而且与分块镜镜面的几何参数有关。     

Study on the design and Zernike aberrations of a segmented mirror telescope

The segmented mirror telescope is widely used. The aberrations of segmented mirror systems are different from single mirror systems. This paper uses the Fourier optics theory to analyse the Zernike aberrations of segmented mirror systems. It concludes that the Zernike aberrations of segmented mirror systems obey the linearity theorem. The design of a segmented space telescope and segmented schemes are discussed, and its optical model is constructed. The computer simulation experiment is performed with this optical model to verify the suppositions. The experimental results confirm the correctness of the model.     

3.5 m口径空间望远镜单块式主镜技术展望

主反射镜的口径大小与结构形式在极大程度上决定了空间望远镜的技术难度与经济成本。为了实现更高的空间分辨率与更强的信息收集能力,各国研制的空间望远镜主反射镜的口径朝着越来越大的趋势发展,从“哈勃空间望远镜”（HST）的2.4 m,到“新世界观测者空间望远镜”（NWO）的4 m,甚至到“先进技术大口径空间望远镜”（ATLAST）的8 m,无不体现了对超大口径空间观测能力的追求。而单块式主镜凭借其支撑技术的可靠性与经济性,正成为超大口径空间望远镜的首选。通过对国外研制的超大口径空间望远镜的论述与分析,探讨了目前空间望远镜中超大口径主反射镜的关键技术与发展方向。针对目前国内运载能力与光学制造加工能力的极限,提出了建造基于3.5 m口径主镜的空间望远镜设想。     

Co-focus experiment of segmented mirror

In this paper, an active optics and co-focus experimental system of segmented mirror is built. Firstly, a support structure of segmented mirror is designed and it is verified by simulation to meet the requirement for the experimental system of segmented mirror. In this system, the large de-focus and tilt/tip errors of the segmented mirror are adjusted by observing the density and contrast of interference fringes based on isoclinic interference theory until the defocus and tilt/tip errors are in the detective range of the Shack–Hartmann. Then, the Shack–Hartmann is used to measure them and they are adjusted by actuators. The actuators are controlled by active optics to realize the closed-loop adjustment and maintenance for fine co-focus of segmented mirror. And the interference fringes are utilized to verify the detective precision of Shack–Hartmann. After the co-focus fine-tuning of the segmented mirror, the tilt/tip residual surface error is better than 0.01λ RMS; the defocus residual surface error is better than 0.01λ RMS.     

通光口径2.16m天文望远镜凹双曲面主镜的磨制工艺

2 16m光学望远镜是目前我国研制的口径最大的反射式天文望远镜 ,主镜通光口径为 2 16m ,边厚为330mm ,重量约 2 2 0 0kg ,顶点曲率半径R0 =12 960mm ,偏心率平方e2 =1 0 95 134 7[1] ,相对口径为 1/3,最大非球面度δ0max≈ 2 1μm。由于所用玻璃毛坯为原苏联制造 ,质量极差 ,通体充满气泡、结石、折叠 ,是块等外品。更致命的是磨出的表面各处硬度不均匀 ,出现大面积、形状不规则的高、低区 ,不得不用手持小抛光盘进行手修 ,像雕刻一样去掉那些不规则形状的硬的局部高 ,保留不规则的软的局部低 (所谓修光程 ) ,并把它拼凑成一个较为接近的理想双曲面。可以想像得出 ,这样做会遇到多麽大的困难。在大家的努力下 ,终于用手把它磨修到尽可能完善。最后望远镜在由该主镜、凸双曲面副镜及熔石英像场改正镜组成的R C卡塞格林 (Ritchey ChretienCassegrain)光学系统的焦面上拍摄了星团底片。经鉴定委员会测试组专家测量后认为 ,在全视场 ( 30 0mm× 30 0mm )内 ,不管是边、角还是中心像均很圆 ,暗星像直径达0 18mm。说明主镜的加工工艺是成功的 ,同时也说明凸双曲面副镜的加工、检验[2 ] ,熔石英像场改正镜的设计[1] 、选料、加工[3] 及光学系统的调整[4] 也是成功的。     

傅立叶望远镜外场试验聚光镜子镜支撑模块的设计

傅立叶望远镜（Fourier Telescope）作为一种新兴的光电探测技术,已经成为对深空目标高分辨率成像的首选技术之一。为了推进实际系统的工程化进展,本文设计了傅立叶望远镜外场实验系统聚光镜子镜支撑模块,对镜面支撑与角度调整机构采用串联分级设计。子镜底支撑采用圆周均布的3点柔性膜片,可以很好的抵消热变形对面型精度的影响;侧支撑采用中心柔性隔膜定位,6点杠杆重锤承受径向重力载荷的方式;角度调整机构采用3点螺旋传动可以实现对子镜室的3自由度调整。经有限元分析,镜面的PV值为200nm,RMS值为40nm,曲率半径变化小于1毫米。该设计方法对薄镜面的支撑调整也具有一定的参考价值。     

高功率光学元件校正波前的梯度均方根指标

对高功率固体激光装置中,光学元件波前经过变形镜校正后的梯度均方根指标开展了研究。建立了变形镜校正效果的等效分解方法,分析了校正波前的部分相干叠加特性,对校正波前的梯度均方根与焦斑尺寸的对应关系进行了研究。解决了在有变形镜校正时,如何制定元件波前梯度均方根指标的问题。研究结果对高功率固体激光装置的光学元件波前指标制定有指导意义。     

Low-cost segmented mirrors for aberration correction in small aperture systems

Two low-cost 3×3 and 4×4 segmented mirrors built for near-real time adaptive optics are described. The construction and performance characteristics of the mirrors are discussed and it is shown that they have the potential to provide very good correction of atmospheric aberration despite their low number of segments. Their use in an adaptive optics system is described.     

Coherent combination of two ytterbium fiber amplifier based on an active segmented mirror

To control the phase noise of two ytterbium fiber amplifiers, a coherent combination system based on an active segmented mirror (ASM) has been established in our laboratory. The ASM is controlled by a feed back control loop on the basis of a Peak Rate (PR) algorithm which is realized on a DSP + FPGA hardware control board. Experimental results indicate that when the control loop is off, the far-field interference pattern is blurred and dynamic, while when it is on, the far-field beams interference pattern achieves clear and stable. At two different output powers, the contrasts of the interference stripes are improved from 7% to 19% and 8% to 28% respectively.