拼接镜面合成孔径光学系统的像质评价

拼接镜面合成孔径光学系统的出瞳波前是离散的,需要同时引入波象差和衍射光学理论来拟合最佳高斯参考球面,计算出瞳波前和波象差,并通过对像面的衍射积分,评估系统像质。对比了两种像质评估的方法:其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参数拟合Zernike多项式衍射直接积分法计算像面复振幅分布,其二是对子出瞳波面衍射直接积分在像面的复振幅进行叠加。设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统,在此基础上用ZYGO GPIXP干涉仪对两种方法计算的像质进行了验证和对比。结果表明,子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高,但计算量大;在衍射极限附近,前者的拟合精度也能满足像质的定性评估要求,且计算量较小。

应用在拼接镜面中的电容位移传感器的结构性误差分析及校正

分析了子镜运动和电容传感器极板运动之间的理论关系并探讨了电容位移传感器读数的“结构性”误差的处理方法。基于电容位移传感器的工作原理,对极板为圆形的电容位移传感器提出了采用以位移的测量值和子镜转角为自变量的多项式拟合的校正方法。计算表明该误差处理和校正方法是简洁可行的。对于转角的拟合只需2阶,同时位移测量值只需4阶的多项式进行拟合即可使输出位移达到3 nm的精度。进一步分析表明,直接使用位移传感器读数计算极板转角,并对误差的主动校正控制非常有利于该多项式拟合,可一次性达到优于5 nm的校正误差,完全满足拼接镜面主动光学工程应用的技术要求。

色散条纹传感技术用于拼接镜面位移探测的仿真研究

根据色散条纹传感技术的基本原理,从物理光学的角度对色散条纹传感器(DFS)进行了模拟研究,仿真出理论干涉图形,并从中采集能量信号,拟合光强分布曲线,得出测量结果.通过比较在不同波段的采样,提出在CCD上开出窗口采集有效信号的2种方法,借以提高检测精度.色散条纹传感器的检测范围为±50μm,检测精度可以达到几十nm.

地基大口径拼接镜面主动控制技术综述

拼接镜面技术是光学合成孔径望远镜的三种实现方式之一,是未来大口径望远镜的重要研究方向。由于拼接镜面主动控制系统直接影响拼接镜面等效大口径镜面的光学性能,本文着眼于地基大口径望远镜的拼接镜面主动控制技术,由地基拼接镜面望远镜的发展过程展开,阐述拼接镜面主动控制系统的主要结构,对国内外拼接镜面主动控制系统发展概况进行分析和总结。归纳了拼接镜面主动控制系统实现主动调整和主动保持的关键技术,明确了深度学习理论在闭环控制,共相检测与校正和系统级仿真建模技术中的逐步应用和未来发展方向,为国内下一代地基大口径望远镜拼接镜面的控制方案设计提供相应的指导。

拼接镜面主动光学电控系统的研究

介绍拼接镜面主动光学计算机控制的设计思想和研制的方法。计算机通过接口控制6套微位移促动器实现了同步工作；控制维持三块子镜的共焦和共面；采用6套电容式的微位置传感器来检测共面的位置，作为计算机闭环控制的反馈信号。位移促动器的控制分辨率为5nm左右。系统控制的位置误差rms值小于25nm。

基于Keck方法的大型拼接镜面共面方法的研究

LAMOST是我国也是世界上唯一的同时应用薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学的望远镜,但望远镜目前的设计要求还只是共焦,还没有很好地开展共面技术的研究和应用。Keck望远镜的共相方法已经得到了成功的应用,在红外波段得到了10m镜的衍射像。参照Keck的算法,开发了一套用于检测拼接子镜前后有一定平移误差时的模拟软件,在LAMOST及以后各大型望远镜的拼接镜面实验装置上应用。结果表明,这个方法是现实可行的。

拼接镜面望远镜位移促动器系统的自抗扰控制

针对拼接镜面望远镜主动光学控制技术的要求,设计了一种改进型自抗扰控制器以改善位移促动器系统的位置跟踪性能和提高抗扰动能力。首先,建立了拼接镜面位移促动器系统及扰动风载的数学模型;设计了改进型自抗扰控制器,并给出了控制器参数选择的方法。其次,对位移促动器控制系统进行了仿真分析,验证了控制器的可行性。最后,利用风载扰动模拟装置,在位移促动器系统中引入扰动,并对比改进型自抗扰控制器与线性自抗扰控制器以及PID控制器控制性能。实验结果表明,改进型自抗扰控制器系统阶跃跟踪的稳定时间为201 ms,稳态均方差为7.1 nm,无超调;风载干扰实验中,改进型ADRC的最大偏差值为38.8 nm,稳态均方差为7.6 nm,改进型ADRC的性能明显优于线性自抗扰控制器和PID控制器,对提高位移促动器系统的性能有较高的实用性。

大口径光学望远镜拼接镜面关键技术综述

随着天文探测的不断发展,望远镜的口径越来越大,拼接镜面技术为大口径望远镜主镜的设计提供了一种比单镜面形式更简单可行的替代方案,现已成为大口径望远镜主镜设计的重要途径。本文以詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)和三十米望远镜(TMT)等典型拼接式望远镜的主镜设计为参考,总结了当前拼接镜面技术的发展现状;并阐述了在大规模子镜背景下,不同子镜拼接方案的性能差异,以及镜面支撑技术和共相检测技术的未来发展趋势,希望可以为我国下一代极大口径光学望远镜的自主研制提供参考。

用于拼接镜面共焦测量的三种位移传感器

目前国际上大型光学望远镜大都采用拼接镜面的方法 ,用许多小口径的子镜拼成大口径的主镜。在拼接成大型主镜时要求各子镜镜面共面或共焦 ,这就要求子镜在镜面方向有位移促动器动作的同时 ,有相应的位移传感器来检测和控制。目前可用来测量这种位移的传感器有三种类型 :电容式、电感式和光电式 ,其中电容式位移传感器是最成熟的一种 ,价格也最贵 ;光电式是最有潜力的一种。文中给出了这三种位移传感器的原理和特点。最后 。

拼接镜面望远镜的子镜室集成建模与分析

子镜拼接镜面技术是新一代大型天文望远镜的关键技术,拼接镜面技术的发明,使天文望远镜的口径突破了镜坯材料的限制,大于8m口径的天文望远镜建造才成为可能。拼接子镜是拼接镜面望远镜中的关键光学部件,子镜室的性能直接影响子镜面型,对望远镜最终的像质有决定性的影响。针对拼接镜面子镜室的研究,包括关键元件的受力分析和裸镜的镜面面型分析,前人已做过大量的工作,但对于子镜室整体的有限元仿真计算,国内目前开展的却较少。首先简要介绍了下一代拼接镜面望远镜中子镜室的设计工作,利用Solidworks软件构造三维实体模型,并将其导入ANSYS/Workbench中开展了有限元静力学分析,最后讨论了支撑结构对子镜面型的影响。

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。

拼接子镜力矩促动器布局的优化设计

为了降低较为昂贵的镜面抛光和光机装配费用,以及应对温度、重力及其他意外因素导致的镜面低阶像差,一种在被动浮动支撑结构上施加力矩以实现面形实时校正的力矩促动器在部分望远镜上已有成熟应用。本文旨在针对我国未来的大口径地基光学望远镜,对其拼接子镜力矩促动器的分布进行优化与设计。根据工程经验和参考文献初步确定力矩促动器所需的校正能力,通过三维建模软件对拼接子镜及镜室进行建模,最后通过有限元仿真和最小二乘法拟合对力矩促动器的布局进行优化设计。计算结果表明,采用18个力矩促动器的分布方案能够对离焦、像散、彗差和三叶像差进行良好的校正。对于具有数百面子镜的拼接望远镜来说,18个力矩促动器方案在满足光学设计需求的同时,有效节约了建设经费并降低了工艺的复杂性。

拼接式反射镜共焦误差检测

基于传统的夏克-哈特曼波前传感技术,针对实验室现阶段所拥有的合成孔径望远镜系统设计了一套共焦检测系统,用于对合成孔径系统的拼接主镜进行倾斜量误差检测。由于受实验平台振动和实验环境气流扰动等因素的影响,导致检测系统的夏克-哈特曼光斑质心阵列做无规则的抖动,检测系统难以实现高精度共焦。针对该问题提出采用连续帧频数据采样叠加滤波处理的方法来克服实验环境因素的影响;将采集的连续帧频数据逐帧处理,相互叠加,分析光斑质心分布规律,通过构建光斑分布图样最小外接矩形获取光斑质心位置,从而有效的提高了共焦检测系统的准确度。实验表明中心镜沿x与y方向的倾斜量误差数据的标准差分别从0.029 7与0.009 2降到了6.0×10-5与5.1614×10-4。最终光斑质心数据的稳定性得到了不止一个量级的提升,良好的克服了因实验环境因素导致检测系统精度损失的问题,同时也验证了共焦检测系统方案的可行性。

拼接式合成孔径光学系统的子镜失调误差分析

拼接镜面合成孔径光学系统子镜的失调将对系统成像质量造成较大影响。不同方向的子镜失调误差有不同的误差-评价函数关系,因此有各自严格的公差分配。研究重点是通过对子镜的干涉图和波前判研以及对系统的物理光学分析获得失调特征和数据,从而指导装调。对比了三种结构相似但F数和口径不同的拼接主镜形式合成孔径光学系统,对三个实际系统拼接产生的位置误差进行分析,总结出各误差对系统像质影响的规律,由此提出了类似系统的设计要点。

基于点扩散函数的拼接镜边缘传感器定标实验研究

太阳望远镜复杂的观测环境会引起机电型边缘传感器的零点漂移。采用光学探测的方法对边缘传感器进行短周期定标,解决太阳望远镜中传感器零点漂移的问题。为验证光学探测技术对边缘传感器进行短周期定标的可行性,开展了基于点扩散函数的子镜边缘探测研究。利用促动器、边缘传感器以及点扩散函数互相关检测法进行交叉定标实验,其检测精度优于5 nm,并在两镜系统上开展了基于点扩散函数边缘探测的主动控制实验。实验结果表明,该方法的探测精度和探测频率满足对边缘传感器的短周期定标。

两镜拼接主动光学子镜位姿调整方法研究

建立一个两镜系统用于模拟拼接镜面中各子镜面的相对位姿关系。提出采用相邻子镜边缘安装边缘传感器和设置倾斜传感器相结合的方法对子镜倾斜(tip/tilt)及轴向平移(Piston)3个自由度进行检测的位姿检测方法。采用理论控制矩阵和实测控制矩阵进行主动校正实验,实验结果表明:理论控制矩阵校正时,边缘传感器均方根误差不大于7.4 nm,倾斜均方根误差不大于0.080″;实测控制矩阵校正时,边缘传感器均方根误差不大于7.3 nm,倾斜均方根误差不大于0.076″。研究结果可为环型拼接主动光学子镜间相对位置自由度探测不足的问题提供参考解决途径。

拼接镜片支撑结构设计及分析

针对部分主动光学拼接镜片支撑结构存在调整精度不高、稳定性较差、镜片姿态定位不准确等问题,提出了一种基于三点支撑模型的拼接镜片支撑机构设计方法。采用三点多自由度运动耦合方式,设计了一种用于望远镜拼接镜片空间位姿微调的支撑结构,并且利用有限元软件进行了仿真实验分析;设定边界条件后,在环境温度不断变化的情况下,进一步从机构的热稳定性、热膨胀性、位移变化、自向心等角度,对该结构进行了仿真实验。研究结果表明:该机构设计合理,具有良好的稳定性,可以实现镜片姿态纳米级的微位移调整,且调整精度较高,能够为未来拼接镜片共焦、共相实验奠定一定的基础。

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。

基于色散条纹传感器的拼接镜面共相的实验研究

研制极大望远镜的拼接主镜时,为使得望远镜系统成像质量达到衍射极限,子镜的定位精度需要满足共相位要求,那么必须对子镜之间的平移误差进行实时精确检测和校正。在对色散条纹检测和色散哈特曼检测原理分析的基础上,建造了一台色散条纹传感器,并在室内拼接镜面主动光学实验系统上开展检测实验,验证了检测信号和平移误差之间存在确定的函数关系,可实现对平移误差的间接测量。针对实验结果分析了误差产生的原因,总结了影响检测精度的主要因素有:条纹对比度、光谱曲线定标、非线性最小二乘法,并提出了解决方案,以完善数据处理的计算方法。在±15μm的测量范围内,可达到20 nm的检测精度。

光学天文望远镜用微位移驱动器机构研究综述

该文回顾光学天文望远镜拼接镜面主动光学技术中的微位移驱动器的应用,介绍了微位移驱动器的工作原理、机械结构以及性能要求。概述了微位移驱动器的基本组成机构,并结合目前应用于天文望远镜的具体实例,比较了其优缺点。最后针对未来极大口径天文望远镜中的应用要求,对微位移驱动器的发展趋势提出展望。