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.

大口径环形分段光学系统基准构建方法

为了更好地对大口径分段望远镜进行集成检测与稳定性保持基准构建,本文提出一种大口径环形分段光学系统基准构建方法。首先,采用局部光瞳投射的方式实现光瞳对准映射;其次,利用微透镜阵列构建系统共焦空间基准;之后,基于环带整体调控模式,采用共焦与曲率半径联合分析,实现曲率半径与系统对准的共同调节;最后,利用白光干涉所形成的条纹包络进行粗共相探测,并利用通道光谱方法实现粗共相与精共相间的精度衔接,空间共焦基准定位精度优于125μm,共相基准覆盖范围优于20μm,精度优于0.5μm,光谱基准不确定度优于5%。实现了不同时空特征扰动的分层次、多模态抑制,利用以上共基准原位测量新方法有效提升了光学系统原位计量检测精度并缩短了溯源链长度,增加了检测效率与准确度。

基于深度降噪卷积神经网络的宽波段共相检测研究

拼接镜的共相误差检测是当前科学研究的热点问题之一,基于宽波段光源的共相检测技术解决了夏克哈特曼法由于目标流量低引起的测量时间长的问题,从而提升了piston误差的检测精度和量程。然而,当前宽波段算法在实际应用中,由于复杂的环境以及相机扰动等干扰因素的存在导致获取的圆形孔径衍射图像含有一定量的噪声,从而导致相关系数值低于设定阈值,最终使该方法精度降低,甚至失效。针对这一问题,本文提出将基于深度降噪卷积神经网络(DnCNN)的算法集成到宽波段算法中,以实现对噪声干扰的控制,并保留远场图像的相位信息。首先,将使用MATLAB获得的圆孔衍射图像作为DnCNN的训练数据,然后,将不同噪声水平的图像导入到训练好的降噪模型中,即可得到降噪后的图像以及降噪前、后圆孔衍射图像的峰值信噪比和二者与清晰无噪声图像间的结构相似度。结果表明:降噪处理后的图像与理想清晰图像之间的平均结构相似度较处理之前有了明显提升,获得了理想的降噪效果,有效增强了宽波段算法在高噪声条件下的应对能力。该研究对于探索用于实际共相检测环境宽波段光源算法具有较强的理论意义和应用价值。

经皮椎间孔镜技术治疗腰椎固定术后邻近节段椎间盘突出症

目的 评价经皮椎间孔镜技术治疗腰椎固定术后邻近节段椎间盘突出症的临床疗效。方法 2014年3月~2019年7月,采用经皮椎间孔镜技术治疗腰椎固定术后邻近节段椎间盘突出症患者26例,其中男18例,女8例;年龄21~72岁,本次手术距离腰椎固定术后3~15年。手术节段:L_(3-4)3例,L_(4-5)12例,L_(5-S1)11例;均采用经皮椎间孔镜技术治疗。术后即刻、1 d、1个月、3个月和2年进行VAS评分,术后2个月以Oswestry功能障碍指数评估腰椎功能,采用改良MacNab标准判定疗效。结果 26例患者获随访,随访时间24~36个月。患者术后较术前症状明显改善,腰痛及下肢疼痛减轻,术后即刻、1 d、1个月、3个月以及术后2年的VAS评分较术前显著降低(P<0.01),术后2年时ODI指数显著低于术前(P<0.05)。末次随访时,采用改良MacNab评分标准评定手术疗效:优21例,良4例,可1例,优良率96%。结论 经皮椎间孔镜技术治疗腰椎固定术后邻近节段椎间盘突出症,对脊柱稳定性结构破坏小,减压彻底,术后患者恢复快,疗效满意。

中国大型通用光学望远镜EAST项目

为迅速缩小中国与外国在光学天文望远镜上的发展差距,北京大学拟与相关单位合作,计划在2024—2030年间逐步建成一台大口径拼接镜面通用型光学望远镜EAST,台址设在青海省海西蒙古族藏族自治州冷湖天文观测基地。项目计划按照成长型分两期建设(主镜口径分别为6 m和8 m),以大幅提高中国光学天文的观测能力,为即将发射的中国空间站工程巡天望远镜CSST和已建成的中国天眼FAST、爱因斯坦探针EP等其他波段望远镜的后续光学观测提供设备支撑,为产出世界一流科学成果提供保障,并为中国未来建设更大口径的地面光学望远镜以及发射大型空间拼接望远镜积累宝贵经验。作为通用光学望远镜,EAST将满足我国天文学家对多样化光学天文观测的迫切需求,在未来几十年从行星到恒星、从星系到宇宙的多领域科学研究中发挥重要作用。

分块式空间望远镜技术研究现状及其发展趋势

大口径空间光学望远镜是实现高分辨率遥感与高灵敏度探测的重要科学仪器。传统的整体式望远镜口径超过4 m将难以突破现有运载器整流罩有效包络的限制,采用分块式的技术手段可以在满足运载能力的前提下实现口径最大化,是解决当前望远镜高分辨率与高信息收集能力的最优选择。文章先从部署形式上对分块式空间望远镜的国内外研究现状进行了梳理,归纳出分块望远镜在技术实现路线上的技术类型和特点,分别对高精度机构展开技术、机器人智能装配技术、波前检测与调控技术以及超轻可调分块镜技术进行了技术内涵及实现技术途径分析,最后面向未来远景目标,对分块式空间望远镜的技术发展作了展望。

分块式空间望远镜无线大功率高效能量传输技术研究

针对分块式空间望远镜主镜的电能供应需求,解决传统有线传输方式难以接线、接口复杂等多种问题,依据主镜指标要求以及主镜装配流程,提出了一种用于可组装空间望远镜主镜系统的近场无线能量传输总体方案,建立无线能量传输系统模型,分析了影响系统传输效率的重要参数,并对关键参数对传输功率及效率的影响进行了仿真分析,所设计的磁耦合机构可满足可组装分块式空间望远镜主镜无线能量传输对功率、效率及传输距离的需求,最后通过仿真与实验装置验证,结果表明所提出的近场无线能量传输方案与线圈设计具有传输功率大、效率高的特点,解决了空间望远镜分块式主镜系统的能量供应问题。

基于图像学理论下分段式神兽镜的图案分析研究--以鄂州黄龙神兽镜为例

魏晋是鄂州铜镜发展的繁荣时期,由于时代和社会的原因道教兴起,使神仙瑞兽题材颇为流行。通过运用潘诺夫斯基的图像学理论的3个方法⸺图像描述、图像分析、图像寓意,3个不同的层次进行分析。本文以魏晋时期具有特色的分段式神兽镜为主要研究对象,探索和分析铜镜背后所隐藏的文化寓意和社会风尚。

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型钢构件,各分体组件由螺栓与地基联接为一个整体,保证结构整体刚度的同时,也满足系统对温度的适应性.通过实验验证:该主镜支撑结构稳定性优于0.075 mrad,子镜指向调整准确度优于0.05 mrad,对已安装的8块子镜进行共焦试验,光斑质心重合准确度小于20 mm,满足外场实验对拼接主镜的技术要求.

拼接镜主动光学共焦实验

为了实现对拼接镜的共焦调整,建立了拼接镜主动光学共焦实验系统。实验中,拼接镜由3块对边长300mm的正六边形子镜组成,子镜为球面,曲率半径为2000mm。采用Shack-Hartmann传感器进行共焦测量,用6个微位移平移台对两块子镜的离焦和倾斜进行调整。每个子镜对应Shack-Hartmann传感器的36个子孔径,用子孔径产生的像点位置偏移计算子镜之间的共焦误差。通过微位移平台调整,可控制子镜的轴向离焦误差优于1μmrms,倾斜误差在两维方向上均优于0.02″rms。实验表明,该方法适用于大型拼接镜面望远镜的共焦标定和实时调整。

大口径光学合成孔径成像技术发展现状

简明介绍了光学合成孔径的两种成像方式和光学波段合成孔径的发展概况。全面介绍镜面拼接、稀疏孔径和位相阵列3种合成孔径结构系统国内外发展现状。归纳出了目前光学合成孔径技术在天基和地基观测系统的发展趋势及技术难题。与传统单一口径的光学系统相比,光学合成孔径系统具有更高的分辨率、镜面加工难度低、易折叠、重量轻等特点,是实现高分辨率光学成像系统的一种重要且有效途径。

拼接式合成孔径光学系统的失调误差分析研究

拼接式合成孔径光学系统对系统误差分配有特殊要求,子镜失调将严重改变波前分布,影响系统成像。对一个拼接镜面的卡式原理演示系统进行了误差分析论证,并使用ZYGO干涉仪进行实测。结果表明,拼接镜面的波前误差RMS值和PV值有特殊关系,但在一定范围内仍可获得较好的MTF曲线。

拼接镜主动光学共相实验

考虑拼接望远镜子镜之间保持共相位可使拼接镜达到衍射极限,本文建立了一套主动光学实验系统来测量和调整拼接镜子镜之间的相位差和精度以实现子镜之间的共相位。拼接镜由3块正六边形球面子镜组成,子镜对边长为300mm,曲率半径为2000mm。首先,使用Shack-Hartmann传感器和高精度微位移平移台使子镜之间精确共焦,使用球径仪调整子镜之间的高度差到微米量级;然后,运用白光斐索干涉原理对子镜高度差进行调整;最后,运用子孔径衍射原理测量子镜之间的高度差,并调整使其共相位。为了验证标定效果,对光纤光束进行了成像实验,受光纤直径的限制,拼接镜上用于成像的口径为100mm。实验结果显示,白光斐索干涉的测量精度优于100nm,子孔径衍射的测量精度优于16nm,共相位标定后,系统能够实现衍射极限成像,表明提出的方法适用于拼接望远镜的共相位标定。

利用四棱锥传感器检测光学拼接镜的法向光程差

研制光学天文望远镜拼接主镜时,需要精确检测各子镜单元之间的法向光程差。在对四棱锥波前检测原理分析的基础上,通过反射立方体模拟拼接镜面,开展四棱锥传感器的检测实验,验证了四棱锥传感器检测信号和拼接镜子单元间的piston误差信号之间存在确定的函数关系。在一个波长的位移行程内,目前可以达到数十纳米的测量精度。

球面拼接镜的相对曲率半径测量

为了实现对拼接镜子镜之间相对曲率半径的精确测量,提高各子镜曲率半径的匹配精度,提出了一种使用Shack-Hartmann传感器和高精度球径仪测量球面子镜相对曲率半径的新方法,并建立了一个实验系统。该方法首先使用共焦调整方法使各子镜共焦,用S-H传感器测量子镜的轴向离焦量,轴向调整压电陶瓷促动器,使由传感器测得的离焦量接近于0;最后,再对子镜进行一次共焦调整之后,使用高精度球径仪来测量各子镜之间的相对曲率半径差。实验采用的拼接镜由3块对边长300mm的正六边形子镜组成,子镜为球面,设计曲率半径为2000mm。分析测试结果表明,该方法测得的球面拼接子镜的相对曲率半径精度约为1μm,该方法表明适用于大型球面拼接镜面望远镜各子镜相对曲率半径的检测。

自适应光学系统MEMS微变形镜的研究

指出了传统变形镜研究所面临的瓶颈,以及采用MEMS技术研究微变形镜的优点.介绍了利用静电力驱 的平板电容式分立式微变形镜.分析结果表明它具有比传统变形镜更优越的性能.指出了进一步研究与发展MEMS微变形镜还需要解决的若干重要问题.

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0.5m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.

拼接镜的主动光学面形控制

为了实现对拼接式望远镜各子镜的主动控制,建立了正六边形子镜拼接的面形控制方程,并研究了传感器的安装位置对面形控制的影响。根据子镜之间相对位置的测量要求确定了主动控制所采取的方式,建立了由3个正六边形子镜组成的拼接镜的面形控制方程,并分析了传感器的安装位置对面形控制的影响。提出了传感器沿垂直镜缝方向错位安装的方法,分析了该方法对于拼接子镜扩展的适用性。分析表明,对于边长0.9 m,对角线长1.8 m的子镜,传感器错开0.02 m安装即能够准确检测子镜之间的位置变化;给出了正确的促动器调整信息,满足了拼接镜主动面形实时、高精度控制等要求。

大口径拼接式合成孔径光学系统设计

介绍了一种基于三反消像散系统的大视场长焦子孔径合成光学成像系统的设计方法。在利用菲涅尔衍射直接积分叠加的基础上对子出瞳波前进行了像质评估,以实现对拼接镜面的全面仿真和分析;用非序列面误差分析和分配的结果修改初始结构;通过高次曲面平衡像差,并在结构优化时使用较小F数的系统增加结构对子镜失调误差的冗余度,迭代完成系统的最终设计。设计了一个同轴三反子孔径合成光学成像系统,焦距为44 m,f/8,7子镜拼接,视场角达0.6°×0.06°,通过不断迭代,获得了较好的结构和成像质量。

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.