计算机辅助装调方法在离轴卡塞格林系统中的应用

针对高成像质量的离轴光学系统的计算机辅助装调问题,许多研究者提出了利用泽尼克系数建立灵敏度矩阵来求解失调量,但这种方法只有在泽尼克系数和失调量存在线性关系的前提下才能准确求解。提出了一种新的能求解较大失调量的计算机辅助装调方法,用此方法对一个口径为250mm的离轴卡塞格林系统进行了装调,得到了中心视场波像差RMS为0.0405λ(λ=632.8nm)。由这种方法计算出的失调量不仅准确,而且能够用于系统装调初期存在大失调量的情况。因此用这种方法能够显著提高离轴光学系统的装调效率。     

折轴三反射光学系统的计算机辅助装调技术研究

 给出计算机辅助装调中失调量与像差关系的数学模型,利用Zemax对折轴三反射光学系统进行失调仿真,得到失调数据,再对数据进行分析和处理,求得次镜和三镜的灵敏度矩阵,还对各种初级像差与各装调参量之间的对应关系及该系统的失调特性进行讨论。根据以上分析结果,最终确定了共轴三反射光学系统的装调方案。为了验证方案的可行性,在Zemax中对共轴三反射光学系统人为地加入不同的失调量后,按照确定的装调方案,利用建立的计算机辅助装调数学模型计算出失调量的大小和方向,再根据计算结果对共轴三反射光学系统进行调整,仿真结果和实际装调结果都证明该方案是可行的。     

一种非稳腔计算机辅助装调方法的数值模拟

谐振腔的自动准直技术是高功率激光器工程实践中的关键技术之一.针对这一问题,对非稳腔的计算机辅助装调方法进行了研究,并对该过程进行了数值模拟.在失调参量和像差系数小范围内线性近似的前提下,获取到一系列表征系统失调的像差值之后,通过求解线性方程组来计算系统的失调量.根据求解结果对失调系统进行修正.数值模拟结果表明单结构参量失调可以很快求出,多结构参量失调情况通过几次迭代求解后也能得到比较理想的结果.目前已经可以确定多个同时存在的失调量(包含倾斜和偏心).倾斜量的求解范围约为10～104 μrad,偏心量的求解范围约为10-2～1 mm.这种辅助装调方法能够有效地指导谐振腔的精装调过程,为今后实际的激光器谐振腔系统的自动调节提供了一种方法.     

共轴三反光学系统卧式装调技术

共轴三反光学系统是空间光学遥感器常用的设计形式,以“高分一号”遥感卫星高分辨率相机装调为例,对共轴三反系统计算机辅助装调技术进行了研究。提出以主镜光轴为装调基准,通过调整三镜控制系统视场和调整次镜控制系统像差的装调方法,分析了次镜和三镜的失调量与Zernike系数变化关系,由光学设计软件求得系统灵敏度矩阵,用于指导系统装调工作,提高了装调精度,缩短了装调周期。测试结果表明:光学系统各视场Zernike系数优于0.05λ,系统波相差RMS值优于0.06λ,系统通过在轨成像测试,图像清晰,层次丰富。     

计算机辅助装调与传统基准传递技术相结合实现三镜消像散系统的装调

为满足复杂航天光学系统对精度的要求,克服传统基准传递技术与计算机辅助装调技术对多于3片反射镜的复杂光学系统进行装调时存在的局限性,提出了两种技术相结合的装调方法。采用提出的方法对三镜消像散（TMA）空间相机进行了装调,结果显示：三镜在Y向和Z向的失调量分别由18.651和9.879 mm降低到1.036和0.102 mm,系统波前差达到全视场平均值1/14λ（RMS）。结果证明：此方法能有效缩短装调时间并达到系统要求的精度指标,对于多镜复杂光学系统装调具有指导和参考价值。     

计算机辅助装调与传统基准传递技术相结合实现三镜消像散系统的装调

为满足复杂航天光学系统对精度的要求,克服传统基准传递技术与计算机辅助装调技术对多于3片反射镜的复杂光学系统进行装调时存在的局限性,提出了两种技术相结合的装调方法。采用提出的方法对三镜消像散(TMA)空间相机进行了装调,结果显示:三镜在Y向和Z向的失调量分别由18.651和9.879 mm降低到1.036和0.102 mm,系统波前差达到全视场平均值1/14λ(RMS)。结果证明:此方法能有效缩短装调时间并达到系统要求的精度指标,对于多镜复杂光学系统装调具有指导和参考价值。     

反射变焦系统的计算机辅助装调

计算机辅助装调(CAA)是提升高精度、复杂离轴光学系统成像质量的一个行之有效的手段,特别是对空间光学系统的在轨调整显得尤其重要。介绍了一种针对离轴反射变焦系统进行计算机辅助装调的方法。由于变焦系统具有多重结构,所以需要计算系统在不同位置的灵敏度矩阵。因而,变焦系统的计算机辅助装调实际上是由一系列独立的对应着不同位置的辅助装调组成的。对各重结构进行装调的过程包括灵敏度矩阵的计算、实际系统和理想系统像差差值的计算,以及失调量的计算等。针对反射变焦系统,建立了新的计算机辅助装调数学模型。为了更进一步地说明问题,进行了数值实验,并通过对比装调前后系统的成像质量,验证了该方法的可行性。     

离轴三镜系统计算机辅助装调方法研究

针对离轴三镜系统光学元件各调整变量之间的关系,提出了一种求解失调量的方法。从分析调整变量之间的关系入手,采用求条件数的方法来判断变量之间的相关程度,去除相关的变量,从而确定出系统的待调整量。计算机模拟表明,只需进行一次迭代求解出的系统待调整量即可满足装调精度要求,调整后整个系统波像差的均方根值(RMS)与理想状态之差小于0.02λ。这种方法是用所确定的调整变量的变化补偿其它相关变量的失调,不仅结果准确、收敛速度快,而且需要调整的自由变量少,大大缩短了装调周期。     

基于矢量波像差理论的两反光学系统装调研究

 为了实现对两反光学系统的精密装调,提出一种基于矢量波像差理论和波像差检测技术对失调量精确求解的装调方法。使用矢量波像差理论,将已设计的两反光学系统参数、失调量和失调光学系统的波像差之间建立方程;然后通过干涉测量法得到某一个视场的干涉图,利用条纹分析软件得到表征失调系统三阶彗差和三阶像散的泽尼克项系数,将泽尼克项系数代入方程从而求解出失调量。运用此方法对4 m口径RITCHEY-CHR-TIEN结构的天文望远镜进行模拟装调,最终求解的失调量与引入的失调量结果相互吻合,说明该装调方法正确。     

基于主成分分析法的离轴三反系统装调及其应用

提出一种基于主成分分析法的装调方案;对理想的离轴三反系统的灵敏度矩阵进行处理,以获得系统失调量对残余像差敏感度的权重值,通过去除敏感度低的调整量来制定合理的装调方案;基于逆向优化法的计算机辅助装调技术原理,进行模拟装调及装调方案的验证。结果表明:采用所制定的装调方案可使装调精度达到10~(-7)量级,调整量从11个减少到6个,装调难度降低,光机结构的稳定性得到提高。     

离轴非球面三反射镜光学系统装调中计算机优化方法的研究

针对离轴非球面三反射镜光学系统,采用多视场自准干涉检验,得到表征系统失调的一系列像差值,将之作为校正对象,利用最小二乘优化算法来确定系统的失调量。当失调状态被确定后,在理论上证明了通过单步校正达到理想装调要求是可行的。理论分析和计算机数值模拟结果表明这种指导装调的方法是行之有效的。     

卡塞格林系统光学装调技术研究

介绍卡塞格林系统非球面主镜使用三坐标测量仪进行定心装调的方案。系统的主镜口径为300 mm,需要使用结构胶进行胶结固定,选用微应力粘接方法,将胶层粘接应力与热应力变形控制在极小的范围内。利用ZYGO干涉仪获得光学系统的波前信息,将测得的波相差转化为初级像差,根据光学系统失调量与像差的关系对卡塞格林系统进行计算机辅助装调。调试后,系统的RMS值达到0.10,分辨率达到1以内,检测结果表明:该系统的成像质量接近理论衍射分辨率,该方案可以实现快速定心,并且能够满足计算机辅助装调对定心精度的要求。     

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.     

无焦压缩光路系统的计算机辅助装调方法

为了解决随机成分多、调节灵敏度高的离轴反射式系统的精确装调问题,介绍了干涉测量与计算机优化技术相结合的方法,建立了各元件失调量与初级像差之间的关系,以及元件间的像差相互补偿关系,通过干涉测量采集系统全视场的波前差,反向优化得到各元件的失调量,在波长为632.8 nm时,无焦压缩光路系统全视场平均出射波前优于RMS0.055 ,压缩比误差小于5,实现了无焦压缩光路系统高精度、高效率的装调。     

长条形镜面面形拟合技术研究

为了解决长条形镜面面形拟合中各项不正交,无法在调整中利用像差指导计算机辅助装调的问题,本文建立了一套合理的拟合模型。该模型以矩阵求解正交化Zernike多项式系数为基础,将离散的数据点作为定义域,对已选取的Zernike项进行定义域内正交化计算,并以获得的各正交项为基底,实现对长条形镜面及其他异形光学镜面的正交化多项式拟合求解。进而确定在干涉检测中加工误差与装调误差的分离,为光学镜面的最终面形收敛提供保障。根据本文实验结果,对一口径600 mm×260 mm,PV与RMS值分别为5. 889λ及1. 002λ的长条形光学镜面进行拟合,利用Metropro去像散后,面形未得到收敛,PV与RMS值分别变为7. 448λ及1. 725λ。而采用本文算法处理后,其PV与RMS值分别收敛为4. 666λ及0. 679λ,验证了本文方法对于长条形镜面拟合的正确性。     

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.     

大口径镜面的多孔径拼接技术

提出了完成大口径镜面的多孔径拼接技术，即利用实时相位探测技术实现尺寸小，精度高的子孔径镜面之间的位相合成，从而获得性能优越的大口径镜面，然后对多孔径拼接技术原理进行了较为详细的数学描述，并完成了原理性实验，最后获得了实验结果。     

两镜反射系统自适应装调技术研究北大核心CSCD

为了满足两镜反射系统对光学元件高精度的装调、定位要求,以及系统工程化应用对可靠性与装调效率的要求,提出了一种基于人工神经网络(ANN)的自适应装调技术。基于矢量波像差理论分析两镜系统波像差与失调量的映射关系,在Keras框架下搭建ANN,并以非解析思路构建了自适应装调模型,开发了自适应装调装置,使失调次镜的平移调校精度优于2μm,倾斜调校精度优于2″,解决了算法设计与精度优化、反射镜组微应力固联等技术难题,并对某双抛无焦系统完成了自适应装调验证。试验结果表明:运用该装调技术,两镜反射系统装调后波像差优于λ/16、装调周期大幅缩短、装配可靠性通过环境试验考核,为该技术的工程化应用打下了基础。     

Performance of dispersed Rayleigh interferometer on the active cophasing and alignment testbed

We report the laboratory experiment on a segmented mirror testbed that shows the use of a dispersed Rayleigh interferometer to phase segmented mirrors.Segment alignment of tip-tilt is fulfilled by overlapping diffraction pattern centroids of the three individual segments on the focal plane.A spherical interferometer is introduced to evaluate the performance of piston, tip-tilt sensing, and control closed-loop, and finally a total residual root-mean-square (RMS) surface error of about 45 nm is achieved, in which a typical error of about 20 nm is contributed by piston.These results demonstrate that the dispersed Rayleigh interferometer can successfully sense the piston of segmented mirrors and be used in phasing segmented telescopes under extensive studies.     

补偿透镜法检验抛物面镜的调整误差分析

本文以抛物面镜为例定量分析了用补偿透镜法检测其面形误差时调整误差的特点及其对检测结果的影响关系;建立了计算调整误差的数学模型,并给出了计算实例。实践证明,计算和分析结果对指导非球面检测中的调整以及调整装置的设计都有很大实际意义。