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...     

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。     

拼接望远镜成像系统的理论模型分析及仿真研究EI北大核心CSCD

拼接主镜是建设大型天文望远镜最有效的技术途径,尤其是对10m及更大口径的望远镜.本文从光学衍射理论出发,以10m左右口径望远镜为例,推导出了拼接望远镜光学系统点扩展函数的解析表达式,建立了数学仿真模型,并对影响望远镜系统远场像质的因素进行了计算分析.理论分析和仿真结果表明:拼接望远镜的点扩散函数是分块镜的位置干涉函数和分块镜的点扩散函数的乘积;分块镜间的间距会引起分块镜的衍射光斑展宽,使远场峰值能量下降;分块镜的平移误差会严重影响望远镜点扩散函数中的位置干涉函数,从而降低望远镜系统的斯特列尔比;分块镜的倾斜误差会在每个分块镜的点扩散函数引入频移,因而影响拼接望远镜光学系统的点扩散函数,降低望远镜系统的斯特列尔比.     

拼接望远镜成像系统的理论模型分析及仿真研究

拼接主镜是建设大型天文望远镜最有效的技术途径,尤其是对10m及更大口径的望远镜.本文从光学衍射理论出发,以10m左右口径望远镜为例,推导出了拼接望远镜光学系统点扩展函数的解析表达式,建立了数学仿真模型,并对影响望远镜系统远场像质的因素进行了计算分析.理论分析和仿真结果表明:拼接望远镜的点扩散函数是分块镜的位置干涉函数和分块镜的点扩散函数的乘积;分块镜间的间距会引起分块镜的衍射光斑展宽,使远场峰值能量下降;分块镜的平移误差会严重影响望远镜点扩散函数中的位置干涉函数,从而降低望远镜系统的斯特列尔比;分块镜的倾斜误差会在每个分块镜的点扩散函数引入频移,因而影响拼接望远镜光学系统的点扩散函数,降低望远镜系统的斯特列尔比.     

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.     

基于混合优化算法的分块镜共相位误差校正

对采用分块拼接式主镜的大口径空间望远镜,有必要研究适合在轨应用的共相位误差校正方法。以像清晰度函数作为评价函数,通过仿真分析了单色光和白光照明2种情况下分块镜共相位误差与评价函数的变化关系。仿真结果表明:采用单色光照明时,分块镜平移误差校正的动态范围小于0.5λ;采用白光照明时,评价函数存在局部极值,必须采用全局最优化算法。仿真结果表明,当平移误差大于0.5λ时,采用随机并行梯度下降(SPGD)算法易陷入局部极值,而采用遗传算法(GA)可以搜索到全局最优解,但迭代速度较慢。提出了采用基于SPGD算法和遗传算法的混合优化算法校正分块镜共相位误差。当平移误差在[-λ,+λ]范围内时,混合优化算法的校正精度可优于10 nm。     

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。     

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.     

拼接镜主动共相实验研究

针对拼接型天文望远镜主镜的共相检测问题,对宽窄带夏克哈特曼检测法在拼接主镜各子镜间平移误差的测量进行了理论与仿真分析,并搭建了一套室内拼接镜的主动共相检测实验光路系统,其中拼接镜是由4块对边长为100mm、曲率半径为2 000mm的正六边形球面反射镜组成.首先,利用夏克波前探测器进行了拼接镜的精共焦误差的检测,通过主动光学技术控制压电陶瓷促动器,实现了拼接镜的精共焦的调节;然后通过宽带共相检测实现了粗共相的检测;最后,通过窄带共相检测实现了精共相的检测,并通过主动光学技术控制压电陶瓷促动器,实现了共相的调节.实验表明:宽窄带夏克哈特曼检测法对拼接子镜平移误差测量量程达到几十微米,共相检测精度达到15nm,满足拼接镜对平移误差的测量要求.     

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.     

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。     

用于拼接子镜相位误差检测的低相干光谱干涉系统分析

针对大口径望远镜拼接式主镜,提出一种基于迈克尔逊干涉原理的低相干光谱干涉检测系统.应用该系统对拼接子镜间相位失调误差进行实时检测,进而对失调子镜进行相应校正,以实现拼接子镜的共面排布.子镜间相位误差通过干涉图形间的不匹配性进行提取.给出了该低相干光谱干涉检测系统的具体结构,叙述了该干涉检测系统的检测原理.针对该系统的干涉条纹对比度V及系统的最低信噪比SNRdBmin进行了分析,论证了通过该低相干光谱干涉检测系统进行子镜间相位误差检测的可行性.     

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。     

四棱锥传感器在空间光干涉望远镜共相中的应用

针对空间光干涉望远镜提出了一种基于四棱锥波前传感器的相位平移误差检测与闭环校正方法.该方法依次在三种不同波长条件下,用四棱锥传感器检测两两子镜间的平移误差,并依据实时测量结果控制子镜产生相应的校正平移量,直到将平移误差校正到所用半波长的整数倍,而后根据已知的波长数据和子镜平移量数据计算得到真实的平移误差,进而对平移误差进行闭环校正.以两个子镜构成的空间望远镜为研究对象,对该检测与闭环校正方法进行了仿真验证.仿真结果表明,该方法可在500μm范围内对相位平移误差进行准确闭环校正,具有纳米级的精度与良好的重复性.     

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。     

傅里叶望远镜外场实验系统拼接主镜

提出了傅里叶望远镜外场实验系统拼接主镜支撑结构,详细介绍了各组件施工及安装过程.该主镜由61块六边形球面子镜拼接而成,高6 m,宽5.5 m,是我国目前用于望远镜系统中能量接收面积最大的拼接主镜.子镜采用模块化设计,互换性好且均可实现3个自由度的精密调整.支撑桁架采用分体结构设计,便于拆装和运输;地基采用混凝土浇筑预埋...     

低相干光源干涉系统在大口径拼接子镜间相位误差检测上的应用

针对大口径望远镜拼接式主镜,提出一种基于迈克耳孙干涉原理的低相干光源干涉检测系统.应用该系统对拼接子镜间相位失调误差进行实时检测.进而对失调子镜进行相应校正,以实现拼接子镜的共面排布.给出了低相干光源干涉检测系统的具体结构,叙述了干涉检测系统的检测原理,提出应用双中心波长组合低相干光源进行拼接子镜间相位误差检测,分析了系统最低信噪比.结果表明,双中心波长组合低相干光源系统,可以提高低相干光源下涉中心条纹的信号分辨能力.借以提高检测精度.使得低相干光源干涉测量系统对拼接子镜间的相位失调误差进行高精度提取.     

基于宽光谱干涉系统的拼接主镜共相位检测技术

 针对拼接式大口径望远镜主镜,提出一种基于迈克尔逊干涉原理基础上的宽带光谱（白光）干涉检测方法,对拼接子镜间相位误差进行实时检测,进而对失调子镜进行相应校正,以实现拼接子镜的共面排布。子镜间相位误差通过干涉图形间的不匹配性进行提取。应用双中心波长组合白光源来提高白光中心条纹的可见度,通过理论仿真,对不同中心波长组合的白光中心条纹可见度进行比较,结果表明：该双中心波长组合白光源系统的应用,可以提高白光干涉中心条纹的信号分辨能力,借以提高检测精度,使得该白光干涉检测系统对拼接子镜间的相位失调误差进行高精度提取。     

空间拼接主镜望远镜共相位检测方法

总结了常用的共相位检测方法,分析了各种方法的特点及其用于空间望远镜在轨检测的适用性.提出了一种新的基于色散瑞利干涉原理的共相位误差检测方法和相应的干涉条纹数据处理方法--二维色散条纹分析法.介绍了色散瑞利干涉法的基本原理,给出了其检测拼接主镜望远镜共相位误差的光路图.为验证所提出的方法,搭建了一套色散瑞利干涉仪检测共相位误差的实验验证装置.初步的实验结果表明所搭建的色散瑞利干涉实验装置的量程叮达到200μm,多次测量值的均方根误差(重复性)优于2 nm,共相位误差δ≤1 μm时,测量精度为6.56 nm,可以满足空基分块主镜望远镜在轨共相f{7=检测的要求.