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衍射拼接主镜厚度误差分析及分辨率增强实验

光学学报 2018年第10期38卷 44-51页

作者：李韬杰汪岳峰杨正韩珺陈建军李晶尹韶云吴鹏中国人民解放军陆军工程大学电子与光学工程系河北石家庄050003 中国科学院重庆绿色智能技术研究院集成光电研究中心重庆400714 跨尺度制造技术重庆市重点实验室重庆400714 武汉锐科光纤激光技术股份有限公司湖北武汉430070

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... 详细信息

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。

关键词：衍射拼接主镜厚度误差相干性分辨率

基于宽光谱干涉系统的拼接主镜共相位检测技术

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强激光与粒子束 2008年第1期20卷 41-44页

作者：宋贺伦鲜浩黄健姜文汉中国科学院光电技术研究所

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... 详细信息

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。

关键词：宽光谱干涉系统拼接主镜相位误差检测技术误差提取技术

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拼接主镜共相校正装置设计

拼接主镜共相校正装置设计

作者：鲜文挺中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

学位级别：硕士

在天文学研究的热点问题驱动下,天文望远镜正向着更强集光能力、更高分辨力、更全波段等方向发展,增大望远镜口径是解决上述问题的重要技术途径。围绕大口径望远镜研制需求,科学家们提出拼接主镜方案:拼接主镜由数个子镜面拼接而成。应... 详细信息

在天文学研究的热点问题驱动下,天文望远镜正向着更强集光能力、更高分辨力、更全波段等方向发展,增大望远镜口径是解决上述问题的重要技术途径。围绕大口径望远镜研制需求,科学家们提出拼接主镜方案:拼接主镜由数个子镜面拼接而成。应用拼接主镜的最大优点是极大的减轻了主镜的自重,各个子镜口径较小,子镜面的支撑系统相比于大口径单镜面而言大大简化,并且其加工制造运输难度也大大降低。但是拼接主镜各个子镜间的相对位置难以精准校正会导致拼接镜面望远镜无法达到理论设计的等效口径。通过独立的子镜面支撑系统及共相校正系统(即子镜面共相校正装置),可修正温度与重力等因素对镜面空间位置的影响,实现子镜面共焦共相。本文针对1.5m口径拼接望远镜,提出共相校正装置的结构设计方案并完成其性能测试。首先,基于多点支撑理论,结合系统实际需求,完成了装置整体结构方案设计;其次,采用有限元方法对该共相装置结构进行性能分析与结构优化,完成装置详细设计;最后,基于三角测量和色散条纹法对该装置样件的基本性能进行测试,如粗调、精调两级进行位移调节能力,结构谐振频率等,测试结果表明装置性能达到系统要求,为后续系统实验奠定了硬件基础。

关键词：拼接主镜共相校正镜面支撑有限元方法

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拼接主镜驱动控制技术研究

拼接主镜驱动控制技术研究

作者：于文豪中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

学位级别：硕士

对分块拼接主镜的主动控制可以有效的降低拼接误差、提高成像质量。由于主镜质量较重,谐振频率较低,低拼接主镜主动控制的带宽一般在1 Hz以下,但仍能满足对温度、重力等低频扰动的校正需求。KECK、TMT和E-ELT等拼接主镜结构均采用边缘... 详细信息

对分块拼接主镜的主动控制可以有效的降低拼接误差、提高成像质量。由于主镜质量较重,谐振频率较低,低拼接主镜主动控制的带宽一般在1 Hz以下,但仍能满足对温度、重力等低频扰动的校正需求。KECK、TMT和E-ELT等拼接主镜结构均采用边缘传感器测量相邻子镜的拼接误差,利用每块子镜的三个驱动器实现误差校正。但是边缘传感器的检测数据会随着时间和环境变化等产生漂移,导致不可接受的拼接误差。因此,KECK望远镜会根据观测任务需求,先对不同天顶位置主镜拼接控制量进行标定,实际工作时根据查表法进行开环控制。同时,为减小边缘传感器数据漂移的影响,每过一段时间对边缘传感器进行繁琐的标定。本文尝试将传感器标定值作为反馈,避免使用昂贵且会发生漂移的边缘传感器,以实现对主镜拼接误差的实时闭环校正。为实现对主镜静态拼接误差的高效校正和动态误差的实时校正,要求控制系统有足够的静态增益和一定的控制带宽。因此本文首先研究了被控对象影响函数模型,并根据这一模型进行控制器的设计和实验研究。被控对象模型包含影响函数和延时。影响函数表征了驱动器位移与分块主镜表面给定位置位移之间的关系,是一个与控制带宽无关的关系矩阵,在KECK中称之为面型控制方程,为了方便区分本文称之为影响函数。被控对象模型除影响函数之外还包含一个延时环节,延时是指驱动器发出控制命令到传感器发生相应改变的时间。带来延时的因素有很多,比如计算用时、传感器、采样器、DA转换和AD转换,在本文中实测结果是1个采样周期。控制器包含控制矩阵和单变量控制器。拼接主镜主动控制系统是一个多变量控制系统,且变量之间存在耦合作用。为了实现拼接主镜主动控制,首先利用控制矩阵消除变量之间的相互耦合,然后对解耦之后的系统按照经典控制理论进行控制器设计。影响函数与控制矩阵互为逆矩阵,控制矩阵在多变量控制器设计中起着至关重要的作用。影响函数一般不存在逆矩阵,但通过最小二乘法和奇异值分解法可获得影响函数广义逆。多变量控制器主要基于最小二乘逆解耦控制和SVD分解控制的进行设计,根据Simulink仿真结果,两者都可以实现被控对象的稳定控制,且对影响函数元素变化不敏感。解耦之后得到的单变量系统是延时环节,延时环节可采用积分器进行控制,积分控制器设计必须兼顾相位裕度、误差带宽、灵敏度函数增益和阶跃响应调节时间。将设计完成的解耦控制器应用在主动共焦共相实验系统中,顺利实现了拼接主镜主动共焦。对系统的分析发现,系统倾斜误差校正带宽达到0.34 Hz,实现了校正低频扰动的目的;阶跃响应调节时间2.6 s,超调量约为7%,实现了静态拼接误差的快速校正。需要指出的是由于检测等方面的原因,还未实现主动共相调整。

关键词：拼接主镜主动控制拼接误差校正解耦控制主动共焦

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干涉系统在拼接主镜共相位检测上的应用

红外与激光工程 2007年第Z1期36卷 496-499页

作者：宋贺伦鲜浩姜文汉王胜千中国科学院光电技术研究所

由拼接镜面实现的大口径望远镜主镜,需要对拼接子镜进行精确校正来实现子镜间的共面,使得望远镜取得接近其衍射极限的光学成像质量,子镜之间的垂向位移误差需要被校正到入射光波长的几分之一(<100 nm)。为实现此目标,在基于大口径迈克... 详细信息

由拼接镜面实现的大口径望远镜主镜,需要对拼接子镜进行精确校正来实现子镜间的共面,使得望远镜取得接近其衍射极限的光学成像质量,子镜之间的垂向位移误差需要被校正到入射光波长的几分之一(拼接主镜子镜间位置误差进行检测,检测的不确定度为5～6 nm,检测范围为30～40μm,最后对该干涉检测系统的光学系统的设计进行分析,仿真出基于该检测系统的理论干涉图形,并得出较好的测试结果。

关键词：干涉检测系统拼接主镜相位误差检测

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干涉系统在拼接主镜共相位检测上的应用

干涉系统在拼接主镜共相位检测上的应用

2007年先进激光技术发展与应用研讨会

作者：宋贺伦鲜浩姜文汉王胜千中国科学院光电技术研究所

由拼接镜面实现的大口径望远镜主镜,需要对拼接子镜进行精确校正来实现子镜间的共面,使得望远镜取得接近其衍射极限的光学成像质量,子镜之间的垂向位移误差需要被校正到入射光波长的几分之一(<100nm)。为实现此目标,在基于大口径迈克逊... 详细信息

由拼接镜面实现的大口径望远镜主镜,需要对拼接子镜进行精确校正来实现子镜间的共面,使得望远镜取得接近其衍射极限的光学成像质量,子镜之间的垂向位移误差需要被校正到入射光波长的几分之一(拼接主镜子镜间位置误差进行检测,检测的不确定度为5～6nm,检测范围为30～40μm,最后对该干涉检测系统的光学系统的设计进行分析,仿真出基于该检测系统的理论干涉图形,并得出较好的测试结果。

关键词：干涉检测系统拼接主镜相位误差检测

来源： cnki会议评论

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拼接望远镜中分块主镜曲率半径的误差分析

光电工程 2015年第4期42卷 1-5页

作者：廖周邱琪鲜浩张雨东中国科学院光电技术研究所自适应光学实验室成都610209 电子科技大学光电信息学院成都610054 中国科学院自适应光学重点实验室成都610209 中国科学院大学北京100049

本文根据几何光学原理,利用光线追迹方法建立的拼接望远镜光学系统的仿真模型,分析计算了拼接主镜中分块镜曲率半径误差对拼接望远镜光学系统的影响。当主镜为单镜面时候,其曲率半径误差引起的波像差可以通过调焦进行补偿;当主镜为分块... 详细信息

本文根据几何光学原理,利用光线追迹方法建立的拼接望远镜光学系统的仿真模型,分析计算了拼接主镜中分块镜曲率半径误差对拼接望远镜光学系统的影响。当主镜为单镜面时候,其曲率半径误差引起的波像差可以通过调焦进行补偿;当主镜为分块镜拼接镜时,由于分块镜曲率半径误差的随机性,望远镜光学系统无法对波相差进行有效补偿,对分块镜的曲率半径要求很严格;当对拼接主镜进行共相后,相当于补偿掉单个分块镜中由曲率半径误差引起的平移和倾斜误差,望远镜像质有很大提高并降低了对分块镜曲率半径误差的要求。

关键词：光线追迹拼接主镜曲率半径误差

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空间主反射镜高精度拼接校检机构研究

空间主反射镜高精度拼接校检机构研究

作者：李红伟电子科技大学

学位级别：硕士

由于镜坯制造、光学加工和运输装调的原因,8米以上的大口径望远镜仅能采用拼接镜面技术。对于大尺寸的拼接镜面望远镜而言,拼接镜面间离面位移和面内位移检测与调节是其关键点与难点。本论文基于9米口径拼接望远镜光学系统,针对空间主... 详细信息

由于镜坯制造、光学加工和运输装调的原因,8米以上的大口径望远镜仅能采用拼接镜面技术。对于大尺寸的拼接镜面望远镜而言,拼接镜面间离面位移和面内位移检测与调节是其关键点与难点。本论文基于9米口径拼接望远镜光学系统,针对空间主反射镜子镜六个自由度相互拼接的需求,设计了一种地面高精度拼接校检测试试验台,提出白光干涉测量、光刻对准技术相结合进行拼接检测的方案。主要研究内容分为以下几个部分。1.介绍了9米空间望远镜拼接光学镜面结构。针对空间望远镜的拼接精度和运动要求,基于位移和倾斜检测的拼接光学镜面测量方法,提出了两种包括运动系统、子镜离面测量系统、子镜面内测量系统、机械系统的拼接测试试验台方案。通过比较一次全覆盖检测的检测方案,选择了局部覆盖、多次检测的拼接检测方案;此方案可靠,设备可轻量化、加工成本低、精度高。2.空间主反射镜拼接校检实验系统由校准镜模块、视觉标记定位系统、机械系统三部分组成。通过子镜和校准镜之间的交互位姿传递,完成主反射镜的拼接;通过激光位移传感器、光纤探头以及光刻标记的检测处理,完成六足位移台对子镜和校准镜位姿状态的控制。机器视觉定位方案采用包括相机、镜头、光源等负责图像的采集。机械系统采用定制气浮减震台隔震、XZ直线滑轨提供直线运动、高精度步进旋转台保证360度转动覆盖全部子镜,通过转台连接件和滑轨桁架支撑结构完成六足位移台、转台和滑轨的连接,同时承载视觉标记定位系统等。3.建立了拼接主镜的误差分析仿真模型,推导出拼接望远镜子镜和校准镜的离面测量解析理论公式,对分块镜、校准镜平移误差、倾斜误差做了详细的误差分析。通过选用传感器的精度大小与相互位置可简单、快速有效地对分块镜的平移误差和倾斜误差进行高精度测算,提出两种能改进拼接主镜拼接精度的方法。本论文对空间主反射镜高精度拼接校检系统进行了方案设计和理论仿真分析,对拼接主镜校检系统的设计、加工、检测、装调等有指导意义。

关键词：拼接式望远镜拼接主镜白光干涉测量光刻对准误差分析

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衍射效应对空间可展开光学系统像质的影响

光学技术 2007年第4期33卷 564-565,568页

作者：李博杨秉新陈晓丽王永辉北京空间机电研究所北京100076

空间可展开光学系统采用的是主动控制的拼接主镜。基于波动光学衍射理论分析了光学系统在几种展开方式下由主镜形状、分块镜间隙等因素引起的衍射效应,这为评价展开方式提供了光学理论依据。

关键词：空间可展开光学系统拼接主镜衍射效应