用像差逐项优化法装调离轴三反射镜光学系统

在对复杂光学系统粗装调完成之后 ,利用自准干涉检验的办法 ,采集光学系统各视场的干涉图 ,然后用干涉条纹分析软件算出整个系统波前误差 ,其量值用泽尼克系数来表示 ,通过泽尼克系数与系统的波像差的关系 ,判断要调整的目标值 ,即当前在光学系统中占主导地位的波前误差 ,对主导误差优化 ,得到系统的失调量 ,由光学设计软件确定其正确后 ,进行一次精密装调。然后进行多次这样的计算机迭代和优化 ,直到光学系统达到最好的调整状态。运用此方法来装调大口径 ,长焦距离轴三反射镜系统 ,在波长λ等于 6 32 .8nm时 ,该离轴三反射镜系统中心视场波像差均方根值达到了 0 .0 94λ ,+1°视场和 - 1°视场的均方根值分别为 0 .10 6λ和 0 .12 5λ。     

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。     

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。     

拼接子镜系统计算机辅助装调研究

为了提高拼接子镜系统的装调精确度,研究了拼接子镜系统的计算机辅助装调技术,分析了拼接子镜系统的计算机辅助装调模型,采用反向优化法编写程序求解系统失调量.以37项泽尼克系数作为评价函数.当粗调误差在0.7°以内时,完全可以精确求解失调量.结果表明,求解结果准确度高,符合实际装调要求.     

某型机载反射式光学成像系统失调空中校正方法

反射式高分辨力光学系统是未来机载望远系统的发展方向。当光学系统工作在航空平台,由于受温度变化、振动冲击等因素的影响,光学系统将存在失调误差,需要对其进行空中校正。建立了反射镜失调量与泽尼克（Zernike）系数之间的非线性函数数学模型,采用Bhattacharyya系数方法去除相关性强的失调量,减少空中装调的复杂程度,增加可靠性。经过校正某同轴三反消像散系统,计算结果表明,系统的波像差均方根值（RMS）减小到0.025λ,与设计值相差小于0.014λ,满足空中装调需求。     

基于DDE接口技术的计算机辅助装调方法

根据波前拟合和计算机辅助装调的算法原理,基于动态数据交换（DDE）接口技术和泽尼克多项式拟合技术,采用阻尼最小二乘法,运用MATLAB和ZEMAX联合计算实现了计算机辅助装调。利用DDE接口在ZEMAX和MATLAB之间进行通讯,并用MATLAB编写了能够生成各阶泽尼克圆多项式和环多项式的基底矩阵函数的可视化的计算机辅助装调程序,实现了程序的通用性及易用性。使用该程序对大遮拦比光学系统进行模拟装调,验证了程序的正确性。为了确认泽尼克圆多项式在环域上的相关性对计算机辅助装调结果的影响,分别采用泽尼克圆多项式和环多项式进行模拟装调。模拟结果表明：计算机辅助装调使用这两种泽尼克多项式均可行。     

光学仪器 光学仪器装调

TH706 2005043174 利用离轴三反镜光学系统确定各镜的装调公差=Study on decision of alignment priority using mirror tolerance in a three mirror off-axis optical system[刊,中]／杨晓飞(中科院长春光机所,吉林,长春(130022)),韩昌元／／光学技术,-2005,31(2),-173-176 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     

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。     

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。     

投影物镜小比率模型的计算机辅助装调

针对小比率模型光学系统光学元件数量较多,无法用每个补偿量去补偿对应失调量的问题,提出利用计算机辅助装调方法,通过建立系统的灵敏度矩阵找出偏心失调量和倾斜失调量的内在联系来缩小补偿量的选择范围。根据失调量敏感度的分析,提出了只用4个补偿量补偿系统波像差的想法,并对所选补偿参量的补偿效果进行仿真,以此近一步验证想法的可行性。光学系统初装完成后,将实际测得的系统波像差以36项Fringe Zernike多项式的形式代入灵敏度矩阵,计算得到补偿参量的补偿值和移动方向,用驱动器实现像质补偿。实验结果表明：系统波像差（RMS）由50.864 nm提高到25.993 nm,优于技术指标要求,证明了所选的4个补偿量的正确性和有效性。     

Stability of Zernike coefficients solved by the covariance matrix method in the analysis of the wave front aberration

The deduction of Zernike coefficients is usually influenced by the finite number of sampling dots on interferogram and their inherited measurement errors. In this paper, a simplified Gram-Schmidt method for solving the Zernike polynomial with the higher fitting precision is presented and used to analyze the wave front aberrations for the circle interference fringe of the fine polished aluminum disk surface captured by a Twyman-Green interferometer system. We find the stability of the Zernike coefficients changes with changing the Zernike term, which has lead to the wrong expression for the wave front aberration. By analyzing the condition number of the coefficients matrix and the fitting precision of the method, it is indicated that the instability can be avoided when the Zernike term is lower than 14. Such an analysis will be valuable in solving the Zernike polynomial for the wave front aberration analysis in optical testing.     

轻型高稳定性离轴非球面平行光管设计

为了满足高精度相机在外场环境下的检测要求,采用碳化硅光学材料制作反射镜,碳纤/环氧树脂基复合材料制作遮光筒,设计了一套重量轻、自身精度高、温度稳定性好的离轴平行光管。在二者线胀系数保持二倍关系的情况下,在一定温变范围内保持精度的稳定性。经检测,口径为400 mm,焦距为8 m的离轴平行光管的温变为（20±10）℃,系统波像差为1/5λ（P-V值,λ=632.8 nm）和1/27λ（RMS值）,达到了设计要求,能够在外场环境下使用。     

离轴抛物面反射镜模拟空间环境镜面变形分析

在卫星红外多光谱扫描仪模拟空间环境辐射定标试验中,环境模拟器舱内的稳、瞬态温度场会给光学系统成像质量带来影响.以试验中的实测温度变化作为温度载荷,借助有限元软件,分析了定标系统中通光孔径为φ400mm的离轴抛物面主镜的温度场分布和热弹性变形.选用在单位圆内正交的Zernike多项式为拟合基函数,通过坐标变换,将抛物镜表...     

一种基于图像融合和卷积神经网络的相位恢复方法

相位恢复法利用光波传输中某一(或某些)截面上的光强分布来传感系统波前,其结构简单,不易受震动及环境干扰,被广泛应用于光学遥感和像差检测等领域.传统相位恢复法采用迭代计算,很难满足实时性要求,且在一定程度上依赖于迭代转换或迭代优化初值.为克服上述问题,本文提出了一种基于卷积神经网络的相位恢复方法,该方法采用基于小波变换的图像融合技术对焦面和离焦面图像进行融合处理,可在不损失图像信息的同时简化卷积神经网络的输入.网络模型训练完成后可依据输入的融合图像直接输出表征波前相位的4-9阶Zernike系数,且波前传感精度均方根(root-mean-square,RMS)可达0.015λ,λ=632.8 nm.研究了噪声、离焦量误差和图像采样分辨率等因素对波前传感精度的影响,验证了该方法对噪声具有一定鲁棒性,相对离焦量误差在7.5%内时,波前传感精度RMS仍可达0.05λ,且随着图像采样分辨率的提升,波前传感精度有所改善,但训练时间成本随之增加.此外,分析了实际应用中,当系统像差阶数与网络训练阶数略有差异时,本方法所能实现的传感精度,并给出了解决方案.     

Selection and optimization of mirror structure of off-axis two-mirror afocal system北大核心CSCD

According to the structural characteristics of aspheric off-axis two-mirror optical system, the imaging characteristics of the system were analyzed by using primary aberration theory. Based on the characteristics of different aspheric surfaces, the vector expression of system aberrations was derived. Using the Seidel coefficients, the primary wave aberration of systems were expanded and values of system aberration for different aspheric surface shapes were specifically calculated. After the evaluation index of the off-axis structure was determined, the imaging qualities of different surface shape combinations were compared. Then the optimal surface shape selection method was analyzed by quantitative comparison results. The results show that compared with other reflector combination methods, the spherical aberration, coma and astigmatism of the off-axis double paraboloid system are all 0, the wavefront RMS is much better than λ/14 (λ=0.587 6 μm), and the Strehl ratio is greater than 0.8. According to the calculation results, it not only has a stronger ability to suppress multiple primary aberrations, but also can effectively compress the volume of the system. Copyright ©2022 Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

Analysis and demonstration of multiplexed phase computer-generated hologram for modal wavefront sensing

We propose to implement a modal wavefront sensor (MWS) using a multiplexed phase computer-generated hologram (MPCGH). Based on general orthogonal aberration modes, the theoretical treatments of the MWS employing a MPCGH are presented with scalar diffraction approximations and Fourier analysis. Under the small aberration approximations, we give the analytical formula for characterizing the relationship between the sensor signal and the amplitude of the aberration mode. We design several MPCGHs with an effective method of modified off-axis reference beam holograms superposition, and code some common orthogonal Zernike aberration modes into the MPCGH. The numerical simulation is carried out to investigate the performance of MWS to detect particular aberration mode(s). The results exhibit the expected responses of the corresponding symmetric spot pair, and indicate that the wavefront distorted by a special Zernike aberration mode, after modulated by the MPCGH, can be transformed into beams with an intensity-normalized differential signal, which can reflect the change trend of the aberration coefficients in the test wavefront. The experimental demonstration with designed MPCGHs in conjunction with two phase-only spatial light modulators was carried out to test the performance of the MWS.     

基于近红外光谱的人眼像差校正系统中变形镜性能对比研究

对比分析了基于近红外光谱的人眼像差校正系统中两种微机械薄膜变形镜(OKO37单元和BMC140单元)的结构特征和空间特性,着重对变形镜的影响函数进行了主成分研究,建立了变形镜电压控制模型,并通过调整参数d确定变形镜最优控制模式。最后对Zernike单位模式波前像差和Thibos模式人眼波前像差进行拟合仿真实验,结果表明BMC140单元变形镜对Zernike各阶模式的拟合能力均为OKO37单元变形镜的2倍以上。对RMS均值为0.683λ(λ=0.785 μm)的Thibos模式人眼像差,BMC变形镜校正后残余像差RMS值为0.063λ,达到了光学系统的衍射极限(λ/14)。而OKO变形镜由于受相邻电极交连值大、电极分布密度小等因素的影响,其校正能力不及BMC变形镜,残余像差RMS值为0.168λ。本方法也可用于其他种类变形镜的性能评估。