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。

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。

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。

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。

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。

相位差法用于拼接镜piston相位检测的实验研究

为了在实验的基础上研究相位差法在拼接镜piston波前探测中的性能,本文在球面镜上放置两个合成口径分别为200 mm和50 mm的拼接形光阑,进行了模拟拼接实验。依据相位差法的基本原理,通过优化计算可得piston误差分别小于25 nm和1 nm,以此验证了相位差法在拼接镜piston波前探测中的能力,并为将相位差法用于实际拼接镜系统波前探测打下了一定的基础。

拼接镜主动光学中子镜曲率半径偏差分析

拼接镜主动光学以完全相同的小口径反射镜为基础进行镜面拼接,使其共焦和共相,等效得到相应的大口径反射镜,并使其达到衍射极限成像。在各个子镜的拼接过程中,曲率半径不一致直接导致系统的成像性能受到较大影响。以3片子镜组成的拼接镜主动光学为基础,对子镜间曲率半径的偏差进行了分析。其中子镜为对角线长为346.42 mm的正六边形球面反射镜,等效单片反射镜口径为634mm,经过分析得到子镜之间曲率半径偏差应小于±0.02 mm,此时拼接镜成像分辨力为0.309?,斯特涅尔比大于0.8,达到衍射极限。

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.

拼接镜成像性能分析

拼接误差对拼接镜的成像性能有着重要的影响。基于标量衍射理论推导了单块子镜反射波的复振幅分布,并使用坐标变换法处理不同子镜间的拼接误差,建立了拼接误差对拼接镜成像性能影响的分析模型。数值仿真给出不同拼接误差下的点扩散函数以及对应的斯特列尔比曲线。结果表明,子镜沿z轴的平移误差对应的斯特列尔比曲线存在周期性变化。子镜倾斜误差和沿x,y轴平移误差对应的斯特列尔比曲线有着相同的结构。得到的结论为拼接镜成像质量分析提供了依据。

拼接镜面主动控制系统的定标

对拼接主镜进行主动控制是拼接镜技术的难点之一,8 m环形拼接太阳望远镜主动光学的控制性能主要取决于倾斜探测的精度与控制模型建立的准确程度。在研制主动控制系统时,需要对倾斜探测精度定标以及建立较为准确的控制模型,即对主动控制系统定标。实验系统中搭建了用于实时探测拼接子镜倾斜的夏克-哈特曼波前传感器,并对其重复测量精度进行了定标,精度达到0.014 arcsec,接近8 m环形太阳望远镜面形控制的要求。然后利用边缘传感器和夏克-哈特曼波前传感器测量了两镜主动控制系统的控制矩阵,建立较为准确的控制模型。

拼接镜相对位姿调整误差分析

拼接式望远镜是实现天文观测的重要方式。拼接镜在相对位姿调整过程中会产生平移和倾斜误差。构建三面正六边形拼接子镜模型,对成像效果进行了理论分析和仿真实验;引入点扩散函数和斯特列尔比,对成像质量进行评价。结果表明:拼接镜的平移误差以波长为单位作周期性变化,倾斜误差的增加会使光斑逐渐离开中心位置,无法达到共焦的状态。仿真结果为下一步的拼接镜共焦调整实验提供了理论依据和指导。

基于深度学习的拼接镜共相检测新方法研究

基于互相关算法的双波长共相检测方法在大量程共相误差检测中,存在检测速度慢、精度低的问题。针对该问题,利用卷积神经网络的方法建立拼接镜的平移(piston)误差预测模型,以实现双波长共相检测方法在大量程共相误差下的快速、准确检测。首先,将两波长下的圆孔衍射图像拼接作为卷积神经网络的训练数据。训练结束后,将包含piston误差信息的圆孔衍射拼接图像输入到训练好的模型中,可直接检测出piston误差值。仿真结果表明:基于卷积神经网络的共相方法具有高的检测精度、快的检测速度及较好的抗噪性和泛化能力。该方法为平移误差的测量提供了一种可行且易于实现的方案。

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.

基于随机并行梯度下降算法的大口径薄膜拼接镜失调误差校正

为了实现大口径拼接薄膜镜失调误差在线校正,建立了由5块子镜组成的菲涅耳波带片拼接成像模型,分析了光学系统的点扩展函数(PSF)和调制传递函数(MTF)与失调误差的关系,并采用随机并行梯度下降算法(SPGD)对失调误差进行在线校正仿真。为了验证所提算法的性能,选取远场光强平方和、远场光斑等效半径、桶中功率、MTF积分和光强二阶矩5个性能评价函数作为优化指标,对失调误差进行盲优化校正,并比较了上述评价指标的收敛速度和精度。100组随机误差的校正结果表明上述指标均能收敛,优化后的波前残差方均根(RMS)均小于0.13λ,斯特列尔比(SR)均大于0.96,其中MTF积分和光强二阶矩指标的收敛速度最快,远场光斑等效半径指标的精度最优。

基于色散条纹传感技术的拼接镜共相方法

针对拼接型望远镜共相难的问题,提出了一种基于色散条纹传感技术的共相误差检测方法。根据色散条纹传感技术的探测原理,给出了色散条纹传感器的光学成像模型,并利用计算机进行模拟研究。为解决色散条纹检测技术在接近共相时失效的问题,提出一种辅助检测方案,即色散哈特曼检测法,并通过仿真验证了该方法的可行性。结合两种方法,色散条纹传感器在可见光范围内能准确检测±60μm以下的活塞误差,检测精度可达λ/10。同时,对一系列影响检测精度的因素进行了定量分析,提出了条纹开窗、多路采集、提高波长标定精度等解决方法,还针对算法提出新的改进方案,降低了标定误差影响。结果表明,该方法可以有效地完成对活塞误差的大量程、无盲区、高精度检测,在空间和地基拼接型望远镜的粗共相标定和相位控制领域有广阔的应用前景。

基于多波长干涉技术的拼接镜共相检测

为了拓展精共相阶段平移误差的检测范围、缩减检测流程以及减少多方法检测在衔接过程中的装校要求,本文提出基于多波长干涉技术的拼接镜共相检测方法。在粗共相阶段,采用单色激光干涉以及白光干涉分别实现百微米以及微米量级的平移误差标定;在精共相阶段,采用双波长激光干涉实现微米级平移误差的高精度检测。以整镜中剖出的两块六边形球面子镜为测试对象,采用红绿激光双波长移相干涉仪与白光显微干涉仪对所提的技术方案进行实验验证,提出基于拼接镜面形检测数据的相对平移误差解算算法,设计并构建一套拼接镜共相装校系统。粗共相阶段标定平移误差至微米量级后,在精共相阶段子镜间平移误差可由601.6nm补偿至16.0nm。

拼接主镜共相校正装置设计与测试

针对拼接主镜,开展子镜面共相校正装置的结构设计与性能测试。该装置整体采用粗调精调结合的两级式结构,主要由粗调级、精调级和横向卸载机构等部分构成。文章在基于有限元方法的装置整体设计与性能分析基础上,完成装置样件研制与基本性能测试。实测结果表明:该装置可平移±2.5 mm,校正精度约30 nm RMS(root mean square),带模拟镜面后固有频率约70.3 Hz,与设计结果相符,满足主镜系统技术指标需求。

基于机器学习的大面积拼接镜倾斜误差探测

为了实现对拼接镜整体幅面的共相位误差的快速检测,通过Zemax建立相位测量装置,数值模拟拼接镜的倾斜误差检测过程。使用基于主成分分析(PCA)、偏最小二乘回归(PLSR)的机器学习算法,替代传统的相位重建方法,从探测面强度分布图中提取倾斜误差。预测结果表明,在单元情况下对12个样本的倾斜角进行预测,倾斜角预测值与真实值间的均方根误差(RMSE)约为0.00029;在多元情况下,倾角的RMSE均维持在0.0003以下。可见,在两种情况下,倾角的RMSE参量值均小于倾斜步长。因此,利用机器学习算法可以实现对倾角步长为0.0005°的倾斜误差的预测,与相位差波前检测等传统方法相比,该方法能大幅提高预测速度,明显降低传统波前重建算法复杂度。

基于宽光谱干涉系统的拼接主镜共相位检测技术

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。

干涉系统在拼接主镜共相位检测上的应用

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,在基于大口径迈克逊干涉原理的基础上设计了一套子镜间相位误差检测系统。该检测系统的创新性在于激光光源与白光光源同时应用,以对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。