自适应光学波前校正器技术发展现状

波前校正器是自适应光学系统中的关键部件,相关技术已得到了多年的积累与发展。本文介绍了多种目前常用的波前校正器件,包括分离促动器连续表面变形镜、拼接子镜变形镜、薄膜变形镜、双压电片变形镜、微电子机械系统变形镜以及基于液晶技术的空间光调制器和自适应次镜等,给出了它们的实现方式及其基本工作原理,并从空间校正频率和校正速度等方面对各校正器的性能进行了比较。最后,总结了在新应用的需求下,波前校正器件的技术创新及发展趋势。

南极内陆精密仪器运输减振设计与测试

Dome A是南极冰盖的最高点,由于其海拔高度高和温度低,天文学家预计其将是地球上最好的天文台址之一,南极Dome A将为天文观测提供一个绝佳的窗口。但仪器设备需要从中山站通过雪橇长途运输运至Dome A,道路异常恶劣。基于南极巡天望远镜的改正镜系统,设计了一套适合南极Dome A运输的精密仪器减振系统。首先介绍了Dome A的道路冲击振动实测结果,包括对振动和冲击加速度时域和频域信号的分析,其次对改正镜系统进行了动力学分析,再次根据南极Dome A运输道路的特点完成了减振系统的设计和制作,并对减振系统进行了动力学模拟分析。最后通过在南极实测的数据对比,验证了减振系统有效性。

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。

自适应光学波前校正器

报告了自适应光学波前校正器——多元分立式压电变形反射镜和两维高速压电倾斜镜的研究工作。讨论了这两类波前校正器的主要性能及其检测方法等，并给出了若干典型的检测结果。研制的１９单元度形镜已成功用于ＩＣＦ驱动器的波前校正。

相位校正器粘接局部应力控制技术

通过理论分析,对相位校正器的镜面与支撑结构间的粘接建立模型进行仿真研究,提出了在相位校正器镜片上加工小圆柱,使其粘接应力由镜片本身转移到突出部位的小柱子上,有效改善了相位校正器镜面局部粘接应力,使镜面局部高阶像差得到缓解,并通过试验验证了其有效性。

双贴合无光焦度校正板在主反射镜前的两镜系统的像差特性

在光学系统中特别是反射系统中经常通过加无光焦度校正板来减少或消除其他元件所产生的像差。讨论了双贴合无光焦度校正板放在主镜前的双反射球面系统,根据像差理论分析了消像差的条件,研究了系统中各种参数的变化对系统高级残余像差的影响。结果表明主镜的相对孔径越大,系统的残余像差增加;正透镜在前的校正板结构优于负透镜在前的结构;选择合适的校正板单透镜的光焦度,可使系统的高级残余像差最小。

双贴合无光焦度校正板在双球面镜次镜后的系统的像差特性研究

讨论了双贴合无光焦度校正板放在次镜后的双反射球面系统.根据像差理论分析了消像差的条件,研究了主镜的相对孔径变化、校正板在次镜后的位置变化以及无光焦度校正板的正负透镜的不同组合形式对系统高级残余像差的影响·结果表明:当主镜的相对孔径增加或校正板靠近次镜时,系统的残余像差增加;无论校正板的第一个透镜是正透镜还是负透镜,系统在某一光焦度处残余像差最小,并且靠近次镜的透镜最好采用负透镜·

弯月镜结构补偿镜的折反型望远系统

提出了一种基于弯月镜结构补偿镜的球面折反型望远系统，提出的新结构将传统折反系统中的非球面球面化，将基于弯月镜结构的补偿镜置于主镜与次镜之间代替前置大口径补偿镜，构成了双通光路，起两片透镜的作用。补偿镜直径仅是入瞳的1／3，因此质量比前置大口径补偿镜的RC望远镜轻巧，支撑结构简单。新型相机镜头的光学性能如下：全视场为2°，相对孔径可作到F#7，遮拦比为0．33，MTF衍射极限为0．40@70pl／mm，波长为400～1100nm，加工和装校后总的MTF〉0．35@70pl／mm。新型光学系统使光学元件制造容易，装校公差比传统的R-C结构宽松2倍。无前置校正镜的光学结构使机械结构简单，装调容易。

变形反射镜的发展

介绍了我们的变形反射镜（以下简称变形镜）的研制发展过程，叙述了变形镜的主要性能的定义和要求及其测试方法，列举了我们已在自适应光学系统中成功应用的几种变形镜和有关研究工作的进展并指出今后的发展展望。

对MODIS—N扫描方式的讨论

在以摆镜为穿航迹扫描的光机扫描仪中,卫星航向运动的补偿使扫描频率降低一倍,并使扫描效率提高一倍,从而具有很高的实用价值。本文重点讨论了MODIS-N的扫描补偿方案,并对它的适用性进行了评价。

大型Schmidt望远镜光学系统调整方法

安装于紫金山天文台盱眙观测站用以观测近地天体的大型Schmidt望远镜,采用了平场Schmidt光学系统,改正镜通光口径为1m,球面反射镜口径为1.2m,焦距为1.8m,接收器用了4K×4K的高灵敏度CCD。本文叙述了该仪器光轴调整的方法及调整后观测获得的初步结果。叙述了望远镜光轴校正方法、校正结果、CCD靶面的调整及望远镜极轴高度、方位的调整及相应的照片。经实际观测的结果是:露光1s可拍到18等星;露光4s可拍到19.3等星;露光20s可拍摄到21.2等星。

一种新型微小视频卫星光学系统设计

基于Ritchey-Chretien(R-C)光学系统,采用Zemax软件设计次镜为类曼金反射镜的折反射式光学系统。系统的焦距为3 000mm,视场角为1°,相对孔径为1/8,工作谱段为450nm^900nm。结果表明,截止频率为50lp/mm处的MTF值为0.55,接近衍射极限,畸变小于0.022%。类曼金镜的非球面反射面与主镜构成R-C光学系统,消除了系统的球差和彗差,折射面分担次镜的光焦度,减小了非球面的非球面偏心率。类曼金反射镜的加入,将次镜非球面偏心率的平方由4.356减小到1.940,而且系统总长度由600mm减小到550mm。

倒立式三视场施密特望远镜关键技术研究

研制了基于三分区镜的倒立式三视场施密特型望远镜,对其关键技术进行了分析。利用正三棱锥的几何对称性,推导了3个视场的视轴夹角与分区镜面夹角之间的关系式,设计了用于实现多视场观测功能的三分区镜;通过有限元法分析了倒立式施密特望远镜主镜重力形变对像质的影响,阐述了检测光路关键参数对施密特修正镜加工误差的影响程度,采用蒙特卡罗法对该光学系统的杂散光进行了分析。最后对整个光学系统进行了实验检测,检测结果表明:实际研制的三分区镜镜面之间的夹角为133.08°,可同时对相互垂直的3个视场进行观测;该望远镜光学系统的PV=0.614λ,RMS=0.105λ(λ=632.8 nm)。该系统可用于地球空间姿态测量,拓展了施密特望远镜的应用范围。

近地天体望远镜增加卡氏内氏焦点的可行性研究

近地天体望远镜是巡天望远镜,具有短焦距、大视场、低空间分辨率的光学特点.望远镜只有一个主焦点,焦距1.8 m,底片比例9μm/″,像斑几何能量集中度EE80≤2″(像斑环绕能量的80%,即80%encircled energy,记为EE80),有效视场直径为4.28°(14.3 deg^2),目前配10 k×10 k的STA1600LN CCD(charge-coupled device)camera,观测视场为9 deg^2.通过光学系统设计,在原光学系统上增加副镜及场改正镜,获得了焦距9m的卡氏焦点和内氏焦点,底片比例43.6μm/″,在直径15′的可用视场内,像斑EE80≤0.5″,为近地天体望远镜实现多终端观测提供了理论依据.

基于热光学分析的真空相机光学镜设计

以热光学分析为基础,对复杂环境下改正镜作为光学窗口的玻璃厚度进行了优化设计。对改正镜的强度及其所处的热环境进行了分析,将温度场映射到结构模型中,利用有限元计算改正镜在热-力耦合情况下的改正镜的变形量和面形数据,对正镜面形数据进行拟合和处理,最后将处理后的改正镜面形数据导入光学设计方案中,分析改正镜厚度对光谱仪性能影响。结果表明改正镜厚度应该不小于10mm;当改正镜厚度为15mm时,改正镜受热力学影响可以忽略。因此改正镜作为光学窗口既能满足强度和可靠性要求,又能满足光谱仪性能指标,为窗口的设计提供了依据。

带有无光焦度校正板两镜系统的三级像差校正

为增强光学系统校正像差的能力或者避免使用非球面,可在两镜系统中引入无光焦度校正板。该类系统中含有7个变数,有利于系统的像差校正,并且无色差。依据三级像差理论、规一化法及近轴公式,对该类系统进行了像差校正的理论分析,得出了各种平衡三级像差的校正条件。并通过一个实例,借助光学设计软件对此进行了验证。带有无光焦度校正板两镜系统的三级像差校正理论分析,对该类光学系统的设计有一定的参考价值。

基于压电陶瓷促动器的连续镜面变形镜研制进展

为了开展自适应光学技术研究，研制了一系列的基于压电陶瓷促动器的连续镜面变形镜，促动器控制单元数分别为21、97、137和961。利用变形镜作为自适应光学波前校正器，进行了多个室内、室外的自适应光学校正实验，取得了很好的实验效果，其中137单元变形镜在1．23m望远镜上面的自适应光学系统中取得了对O．2”双星的校正效果，在700～900nm波段接近望远镜的衍射极限。介绍了变形镜的基本结构，各变形镜的主要参数测试及关键性能指标，列举了各变形镜在自适应光学系统中的应用情况。最后对变形镜的研制进展及应用进行了展望。

相位校正器的粘接热应力分析

粘接工艺会影响相位校正器的实际性能,然而在研制过程中相位校正器的镜面常出现破损情况。分析粘接工艺后校正面面形的特征和镜面破损的特点发现,镜面玻璃与连接柱头材料之间热膨胀系数差异过大会导致高温固化后校正面相应位置的残余应力过大。建立数值模型对连接处的热应力进行仿真,并选取热膨胀系数与镜面玻璃相近的柱头材料以及固化温度更低的黏接剂减小残余应力。将柱头材料更换为热膨胀系数与玻璃材料(K9)更匹配的3Cr13,实验结果表明,高温固化后相位校正器的静态面形有了极大改善,多次实验均未出现校正面破损的情况。