高低温试验装置中多光谱光学窗口组件设计

箱外光电系统综合检测仪是光电成像系统高低温性能检测装置的重要组成部分,多光谱光学窗口是高低温箱和外置目标模拟器的接口。论文根据应用需求及材料分析结果,选取多光谱ZnS作为光学窗口材料,通过热传导理论对光学窗口组件低温使用状态进行分析,重点分析窗口组件在低温条件下加热对窗口组件面型的影响,并提出了实现微应力装配的结构形式及解决窗口组件在低温条件下结霜结雾的设计方案;通过sigfit对有限元计算结果进行提取、处理以及数据拟合,并通过CODE V分析口径为Φ310 mm窗口组件在使用温度范围内的波像差RMS,分析结果显示优于λ/15,满足窗口组件的光学性能要求,最后通过实物样机进行了验证。实验结果表明:该多光谱光学窗口组件的结构设计方案既满足多波段使用要求,又满足低温除霜除雾要求,同时保证了高低温条件下的光学性能要求。

干涉仪准直系统波前质量检测

为保证干涉仪的测量精度需严格控制其准直光路中平行光束波前质量,以口径150 mm的扩束镜出射波面为测试对象在Zygo干涉仪上设计实验,采用五棱镜扫描法逐条测试扩束镜某一方向上出射波面法线的微小变化量,实现一种精度高而又经济的大口径波面测试。实验结果与Zygo的测试结果相吻合,证实了这种方法的可行性。同时分析了实验装置与环境对测试精度的影响。

Shack-Hartmann波前传感器在光学检验中的应用

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器,以及相应的检测实验结果。在实验室内,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出传感器的测量精度优于λ/50RMS(λ=632.8nm)。在外场利用星光作为光源,对口径1m、焦距11m的望远镜进行了系统波像差检验,测量结果为0.39λ～0.46λRMS之间,并随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为三阶像散。

大口径连续相位板拼接检测误差分析

对大口径连续相位板(CPP)在子孔径拼接检测过程中存在的几种影响检测精度的主要因素,包括定位误差、系统误差和拼接模式等进行了归纳并分析了其对检测精度的影响权重。通过对子孔径重叠区域分布的均匀性计算,分析了检测误差对拼接质量的影响。结果表明,定位误差是影响CPP拼接精度的主要原因,而对系统误差进行有效处理可以进一步减小重叠区非均匀性,拼接模式的选择对CPP的拼接结果的影响有限。通过CPP深度特性对重叠区域均匀性的统计分析表明,在像素级别的检测中,重叠区域均方根残差随着CPP深度的增加而线性增加,即拼接精度随CPP深度的增加而降低。

移相式泰曼-格林红外干涉仪及应用

研究了移相式红外泰曼 格林干涉仪,研制出光机电算一体化的仪器,仪器孔径为Φ30mm。编制了计算机软件,用于干涉图波面的拟合与红外光学系统成像质量的评价,所编软件与国际上同类软件的计算精度相当。介绍了红外干涉仪的多种应用:评价红外光学系统的像质,检测光学件精磨表面粗糙度、光盘基片面形的平整度。结果表明,仪器干涉系统光学质量优于λ/25,扩展不确定度优于λ/130,重复性优于λ/200(λ=10.6μm)。

基于空间光调制器的波面重建优化方法研究

针对不同非球面面形的实时检测需求,研究了基于空间光调制器的标准波面重建技术.基于空间光调制器波面重建的原理设计了干涉测量系统,依据空间光调制器的自身特点选取修正离轴计算全息编码方式实现对标准球波面的编码.针对实验中空间光调制器作为全息再现介质引起重建波面质量下降问题,提出了错位叠加优化方案,并将这一过程进行了模拟实验.结果表明,基于错位叠加方法的重建波面均方差值提高了近4.45倍.研究成果为非球面检测过程中标准波面的获取提供了可靠的理论基础.

子孔径拼接技术应用的研究

大口径光学元件的检测开拓了子孔径拼接应用的新领域。采用小口径干涉仪对大口径被测元件不同区域进行波前检测,然后恢复计算出被测波前。使用光学设计软件ZEMAX对子孔径检测拼接技术进行了模拟,模拟结果表明:波前检测相对误差小于4.3λ‰,实现了对大口径光学元件面形的高精度检测,避免了相同口径检测干涉仪的使用,降低了检测成本及难度。

大口径望远镜波像差的外场检验方法

为在外场环境下对大口径望远镜进行系统波像差的检验,研制了一套具有高探测能力的Shack-Hartmann波前传感器.利用恒星作为光源,对口径1m、焦距11m的大口径望远镜进行了波像差检验实验,测量结果为系统波像差在0.39λ～0.46λRMS之间,且随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为3阶0°像散,与星点检验的结果一致.

基于波像差检测的大口径RC光学系统装调分析

通过对520mm口径RC系统进行面形波像差检测,并将其主、次镜各光学零件实际面形的干涉检测结果输入Code V软件进行了系统成像质量的波像差分析.分析结果与实际系统装调完成后的系统成像质量波像差检测结果对比,具有高度的一致性,说明在计算机辅助装调工艺中应用该仿真工具仿真度高,可以用于实际光学装调的仿真分析、指导光学装调.

离焦位置任意波长透射波前Zernike系数算法研究

基于Zernike多项式波前拟合法,提出计算离焦位置任意波长透射波前Zernike系数的算法,在聚焦位置Zernike系数基础上补偿离焦距离内Zernike系数变化量.以典型的消色差望远物镜为例,根据设计波长及权重优化其工作位置,计算不同波长的聚焦位置与工作位置的离焦量,使用该算法验证消色差系统工作位置任意波长Zernike系数.与在工作位置直接使用Conrady-Zernike公式对比表明,该算法对于与位置有关的Zernike系数计算效果明显,Z1的绝对误差由6.78降低到了1.41,Z4的绝对误差由6.83降低到了1.45.

可变形反射镜的研究进展及应用

介绍了国内外几种技术比较成熟的可变形反射镜的工作原理,分析了它们的优缺点。针对作者设计、研制的两种可变形反射镜及相关成果进行了评述。利用自主研发的测试系统,对可变形反射镜的特性进行了测试,并且预测了可变形反射镜的发展方向。

子孔径拼接干涉检测大口径平面波前

介绍了子孔径拼接检测平面波前的基本原理,提出了基于均化误差和最小二乘法的多个子孔径同时拼接的数据处理方法,有效减小了误差传递和积累。用该方法对Zemax仿真的望远镜光学系统进行了子孔径拼接检测,拼接光学系统波前和直接用Zemax得到的全孔径波前对比,其峰谷值(PV)和均方根(RMS)的偏差分别为0.0151λ和0.0016λ。并用口径为100mm的小口径干涉仪对口径为200mm的平面镜进行了拼接实验,将其全孔径波前与直接检测的结果对比,其峰谷值(PV)和均方根(RMS)的偏差分别为0.0559λ和0.0004λ。实验结果表明了该算法的有效性,该方法不仅适用于检测光学元件,也适用于对光学系统平面波前检测。

干涉法在光栅波前检测中的应用研究

主要针对凹面衍射光栅波前检测方法进行研究。实验光路的搭建基于泰曼干涉仪检测原理,针对凹面光栅检测进行相应的改进,成功获得凹面光栅零级和一级干涉条纹,从而证明了用干涉法检验凹面光栅衍射波前的可行性,为凹面光栅的加工质量检测提供了理论依据。

大口径平面镜的计算机辅助瑞奇-康芒检验

在瑞奇-康芒检测中,被检平面本身所固有的像散和大曲率在被检系统波像差数据中都表现为像散。由于被检平面处于发散光路中,这就使得平面面形与系统波像差之间的关系(即影响函数)变得十分复杂,推导起来十分困难,只能进行定性或半定量检测。文中介绍了如何通过计算机光线追迹模拟瑞奇-康芒检验,在两个瑞奇角下得到两组影响函数,以此建立过定方程组,由干涉仪检测得到的两个不同瑞奇角下的系统波像差,通过最小二乘法解过定方程组,拟合得到被检平面镜的面形误差;实现了大口径平面镜的定量检测,并以平面镜直接检验的面形误差作为对比,检验结果的一致验证了该方法的准确性与可行性。

多谱段滤光片平面波透射波前仿真测试方法

采用滤光片进行带通滤光是航天遥感相机实现多谱段成像的主要手段。滤光片一般使用平板玻璃作为基体,在平板玻璃两个通光表面镀带通的光学膜层,实现滤光的作用。所以对于滤光片而言,可以使用平面波透射波前评价其成像性能。干涉仪使用的测量光为单波长,无法实现全谱段覆盖。随着滤光片使用谱段数量的不断增加,干涉仪激光波长将不在滤光片的带通范围内,导致无法对其透射波前进行测试。为了解决滤光片带通谱段不包含干涉仪使用波长下的透射波前评价难题,提出了一种解决方案,使用单谱段干涉仪,结合滤光片镀膜前的前、后表面面形和透射波前、镀膜后的前后表面面形数据,研发了一种平面波透射波前的计算算法,得到仿真的镀膜后滤光片的透射波前数据,并以此来评价滤光片的成像性能。给出了透射波前仿真算法的详细理论推导。试验数据表明,在使用632.8 nm干涉仪波长下,滤光片镀膜后透射波前RMS的仿真精度小于0.004λ。该方法能够扩展应用在红外滤光片的测试中,实验使用3.39μm的干涉仪测试,得到仿真误差约为0.002λ,均能实现较高精度。且在满足测试精度的前提下,有效降低了测试成本。

大口径标准镜绝对面形精度传递方法

提出了一种大口径干涉仪标准镜绝对面形精度的传递方法,在已知一台干涉仪参考镜绝对面形的前提下,可向待测标准镜进行精度传递。由于检测温度与使用温度的不同,待测标准镜在另一台干涉仪作参考镜时,绝对面形会发生变化,变化集中在离焦量上;在待测标准镜使用状态下,通过对经典三板互检法得到的竖直方向直线绝对面形的分析,得到标准镜使用状态离焦量的估计,以此修正直接精度传递结果,最终得到待测标准镜使用状态下的绝对面形。比较同一块光学元件在两台干涉仪上标定前和标定后的测量结果,标定后的面形差值更小且分布一致性更好,证明了本方法的有效性和可行性。

离轴抛物镜检测中调整误差对波前畸变的影响

对离轴非球面在光学加工和后期装调阶段的光学检测进行了研究,分析了检测过程中调整误差对波前畸变的影响。以加工半径为10 000 mm、二次曲面系数为-1、口径为500 mm、离轴量为425 mm的离轴抛物面为例,建立了各个调整参数对波前畸变影响的物理模型及数学模型,调整误差主要包括俯仰与高低、偏摆与离轴量及绕其子光轴旋转3组参数。应用matlab软件对调整误差对波前畸变的影响进行了仿真分析,对相应的仿真结果进行了实验验证。结果显示,仿真与实验结果一致性很好,证明了理论模型的正确性。分析得到的相应结论适用于所有离轴非球面镜的调整误差分析。

自适应光学波前处理器的软件测试研究

自适应光学系统中,由于中间计算结果不易监测,对基于FPGA的波前处理器进行硬件调试比较困难。为了方便硬件调试,也避免硬件调试中的不当输出对精密的波前校正器带来损害,提出了波前处理器的主控计算机软件测试方法。首先,对波前处理器的功能、组成和工作流程进行了分析,确定了波前处理器的软件测试步骤。然后,采用判断波前处理器回复数据的方法设计了波前处理器的工作模式测试和系统参数测试;采用比较软件模拟计算值和波前处理器上传值的方法分别设计了波前处理器波前斜率计算测试、波前重构测试和波前控制测试。最后,将本文提出的方法用于97单元自适应光学波前处理器的测试,结果表明,波前处理器的硬件调试效率得到较大提高。经过软件测试后的波前处理器在自适应光学实验系统中正常工作,连续校正后系统的残余波前像差的RMS和PV分别为0.034波长和0.392波长。

高精度球面检测中调整误差的精确校正

针对高精度球面检测中球面的调整误差影响,分别研究了波前离焦和倾斜所引入的Zernike像差项,并以此为基础,提出了基于Zernike系数的高精度球面调整误差校正方法.利用Zygo干涉仪对大数值孔径的待测球面进行了检测,实验中对待测球面同时引入波前离焦和倾斜误差,再分别运用所提出的校正方法和传统的消倾斜离焦校正方法得到波面数据并进行对比,进而验证了所提出的校正方法的可行性.实验结果表明,利用该方法可有效地校正大数值孔径球面存在调整误差时所引入的球面像差,并且实验中的校正精度达到了0.002λ(λ为检测光波长).提出的基于Zernike系数的球面调整误差校正方法可降低对于调节机构的精度以及检测人员的经验要求,在高精度球面检测中具有非常高的实际应用价值.

数字横向剪切干涉仪相移技术

由于相移式横向剪切干涉仪相移单元的分辨率、精度等参数直接影响其测试物镜波像差的精度,本文根据相移式横向剪切干涉测试原理,设计了采用宏微复合运动模式的相移组件,该相移组件可在25 mm行程内实现纳米级的相移运动。重点分析了柔性铰链复合四杆结构微动单元初始设计参数间的数学规律,计算了铰链刚度与弱截面应力,并给出了具体的设计实例。采用有限元分析方法,对设计实例中微动单元的相移量与压电陶瓷(PZT)出力之间的作用规律进行仿真,并分析了相移精度。结果显示,PZT在促动力输出范围内可促动0.1 mm^1 nm的一维相移运动,理论精度优于3.5 nm。微动单元的开环标定测试结果表明,相移微动单元的实际精度优于5 nm。