1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
3 吉林省智能波前传感与控制重点实验室, 吉林长春 130033
4 中国人民解放军95975部队, 甘肃 酒泉 735018
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125 μm，共相基准覆盖范围优于20 μm，精度优于0.5 μm，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。
分段镜面 波前像差 共基准 大口径望远镜 segmented mirror wavefront aberration common reference large aperture telescope
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 吉林省智能波前传感与控制重点实验室，吉林 长春 130033
4 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室，江苏 南京 210023
光子计数测距激光雷达在暗弱目标探测、激光遥感等方面均有着极大的应用潜力。激光固态密集分束照明探测虽然相较逐点扫描的方法而言，能够有效提高探测时效性，但在保证较高探测空间分辨率的条件下，激光能量损耗较大。为了能够既保证对目标的高效探测，同时减少密集分束对激光能量的消耗，提出了旋转扫描与推扫相结合的探测方法。对目标进行激光分束照明后，在推扫的过程中快速旋转激光束群，并利用单光子阵列探测器同时对不同目标点返回的信号光子进行采集，以此在固定时间内得到更多的采样点数据。搭建单光子测距系统，发射端利用光纤将激光进行分束，利用位移台模拟推扫，旋转光纤支架模拟旋转扫描，接收端通过单光子阵列探测器并行接收回波光子。对文中所提方法进行了原理性验证，测量出系统测距的精度和准确度，并对上述二者与光子计数间的关系进行了探究。实验结果表明：对于文中所搭建系统，目标点所在像素位置测距的精度优于1.48 cm，准确度优于2.78 cm。二者均随着光子数的增加而提高，并逐渐趋于一个常数。经过旋转扫描，所测得的深度信息较未经旋转扫描所测深度信息增加了33%。总结可得通过旋转扫描能够有效提高探测得到的目标空间分辨率。
光子计数 激光雷达 激光测距 旋转推扫 photon counting lidar laser ranging rotary scanning 红外与激光工程
2023, 52(11): 20230112
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 吉林省智能波前传感与控制重点实验室，吉林 长春 130033
为了更好地对大口径稀疏孔径望远镜进行共焦调控，利用曲率传感方法非干涉、大范围、波段鲁棒的特点。首先，利用近场电磁波的传输方程分析了稀疏孔径望远镜共焦调控的基本原理。其次，结合曲率传感理论，进行了稀疏孔径望远镜共焦调控误差分析。再次，对于曲率传感稀疏孔径望远镜共焦检测的可行性进行了分析与实验。之后，利用桌面实验实现了大口径稀疏孔径望远镜共焦检测的原理贯通。最终，波前倾斜探测结果与原始波前相比，相关性从0.26上升至0.83。利用曲率传感可实现20个波长范围的共焦测量，避免了传统方法对像点进行多次移动标校以及逐个调节的缺点。文中实现了大通量共焦误差感知与收敛调控，为未来大口径稀疏孔径望远镜的建设打下技术基础。
曲率传感 波前像差 稀疏孔径望远镜 共焦 curvature sensing wavefront aberration sparse aperture telescope co-focus 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230050
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 30033
2 中国科学院大学， 北京 100039
3 吉林省智能波前传感与控制重点实验室， 吉林 长春 100
4 中国人民解放军95975部队， 甘肃 酒泉 732750
为实现大口径透镜组的高质量集成，亟需一套透射波前检测系统，其可实现米级跨度上的微米级精度检测。针对大口径透射波前质量检测难题，采用非窄带干涉与条纹跟踪相结合的方法，获得元件相对倾斜以及支撑结构所引入的系统波前变化。首先，基于光纤互联架构，设计了子孔径分时复用测系统；其次，建立了斜率测量与最终系统波前的映射关系，分析了斜率重建过程对不同空间频率波前的影响；最后，利用桌面实验系统，针对探测原理进行了验证测试，在测试波长1 550 nm时，干涉感知信噪比优于15 dB，测量范围优于5 μm，探测精度优于0.5 μm。本文所提出的方法可实现大口径透镜透射波前大范围、高鲁棒、高精度的检测，具有重要的意义，特别是对于未来大口径大视场望远镜的建设。
大口径巡天望远镜 大口径透镜 光学检测 条纹追踪 large aperture sky survey telescope large aperture lens optical detection fringe tracking 光学 精密工程
2023, 31(12): 1735
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 吉林省智能波前传感与控制重点实验室, 吉林 长春 130033
3 哈尔滨工业大学, 黑龙江 哈尔滨150001
通过对望远镜进行曲率波前感知，以更好地实现主焦巡天望远镜的集成检测。首先，利用傅立叶光学理论分析了主焦巡天望远镜曲率传感过程以及多环节动态稳定性传递基本原理。其次，对主焦巡天望远镜集成检测中的静态校正与动面形测量过程进行误差分析。然后，分析了调节过程中的自由度锁定。最后，通过实验实现了集成检测过程的原理贯通。所获得的波前探测残差优于0.08λ(λ=633 nm)。空间分辨率为0.1 m，时间分辨率为0.2 Hz。本方法可有效提升主焦点大口径大视场望远镜的成像质量，利用曲率传感非干涉、高鲁棒的特点，降低了集成检测过程对外界环境稳定性的需求，为未来更加精细的时域天文学观测提供助力。
曲率传感 波前像差 主焦巡天望远镜 集成检测 curvature sensing wavefront aberration main focus telescope integrated detection
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光电探测技术研究部，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 吉林省智能波前传感与控制重点实验室，吉林 长春 130033
4 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室，江苏 南京 210008
单光子计数成像技术在暗弱目标探测、激光遥感、自动驾驶等领域均展现出了极大的应用潜力。为了探究如何利用该技术得到更多维度的目标信息，提出并验证了一种获取目标姿态的方法。将目标处于不同姿态时的单光子计数三维成像图（深度图）建成数据库，作为先验信息，通过求取库中图像与目标实际的单光子计数成像深度图（姿态未知）的相关系数，选取相关性最强的库中姿态作为目标实际姿态。采用单光子阵列探测器搭建实验系统，激光发散照明目标，以20°为单位构建数据库中的-60°至40°的目标深度图。结合库中数据与姿态分别处于-45°和25°时的目标深度图，利用所提方法估计目标姿态并验证其准确性。在该两种姿态下，分别做出光子计数为10，50，100时的深度图，以探究目标实际姿态与库中对应姿态的相似度和光子计数间的关系。以15°和20°为单位对目标进行多轴旋转，以探究目标进行多轴姿态变化时所提方法的可行性。改变背景噪声，在信号光子与背景光子数比值（SBR）分别为8.13，4.83，3.21，0.72的条件下对目标进行三维成像，探究背景噪声对估计成功率的影响。以木头人玩具为目标，以30°为单位建立数据库，对处于-20°和20°的木头人玩具进行成像并验证所提方法对复杂目标姿态估计的可行性。实验结果表明：所提方法可成功对目标实际姿态进行估计。目标实际姿态与库中对应姿态的相关性和光子计数成正相关，高SBR有利于准确估计目标姿态。
三维成像 激光雷达 姿态估计 时间相关单光子计数 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811031
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 吉林省智能波前传感与控制重点实验室，吉林 长春 130033
4 哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001
大口径巡天望远镜需要基于波前传感系统的反馈，进行主动光学闭环校正，以更好地发挥其极限探测能力。本文面向大口径巡天望远镜波前传感过程中，离焦星点像重合所导致的导星数量下降的问题，首先针对分区域曲率传感的基本理论表达进行了推导，之后，通过建立联合仿真模型，利用光学设计软件与数值计算软件之间的通讯交互，对分区域曲率传感的过程进行了仿真分析。最后，通过搭建桌面实验，分别就单目标与多目标的曲率传感进行了交叉比对，验证了算法的正确性。针对标准波前，本文所提出的方法与单导星曲率传感相比，误差为0.02个工作波长（RMS），误差在10%以内，可在传统主动光学技术的基础上，通过扩展可用导星，提升探测信噪比与采样速度，有效提升主动光学系统校正能力。
大口径巡天望远镜 主动光学 曲率传感 自然导星 large aperture survey telescope active optics curvature sensing natural guide star
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
望远镜分辨率和集光能力与其口径成正比。随着人类对于望远镜分辨力要求的日渐严格，望远镜的镜面尺寸也在不断的增加。镜面尺寸的不断加大，使镜面视宁度变得越来越重要。镜面视宁度主要是指由于镜面表面的湍流所导致的像质下降。当镜面尺寸超过当地大气湍流尺度时，就不得不考虑这一因素对于成像或者加工的影响。系统的工作环境在一定程度上会影响镜面视宁度，所以镜面视宁度对于集成检测过程也有重要的意义。因此，为了提高镜面加工的面形精度，检测系统的集成效果，必须精确测量仪器的镜面视宁度，从而为其加工检测和应用集成提供判断。文中从原理、研究现状以及在镜面视宁度上的应用三个方面出发，阐述了一维检测（自准直仪法等）、二维检测（斜率/曲率法、全息波前传感法和剪切干涉法等）、三维检测（全息粒子测速法与温度场法等）。通过介绍面向不同场景与检测要求的检测方法，对镜面视宁度的检测具有很好的指导意义。
镜面视宁度 湍流 检测方法 应用 mirror seeing turbulence test method application 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220488
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 吉林省智能波前传感与控制重点实验室， 吉林长春130033
为满足大口径主焦点光学望远镜的发展趋势与需求，研究了大口径主焦点式光学系统的设计与装调方法。给出一个大口径主焦点光学系统的设计，该系统由一块非球面主反射镜和六块口径较小的球面透镜组成，六块透镜构成的校正镜组能够增大视场、校正像差，从而保证系统的成像质量。该系统的工作波段为0.4~0.8 μm，通光口径为1 000 mm，焦距为1 300 mm，视场为2.7°×2.7°，在-40~50 ℃内采用移动探测像面的方式实现温度补偿。全视场奈奎斯特频率下调制传递函数高于0.45，RMS弥散斑半径小于10 μm。针对该系统，提出了一种包含主镜被动支撑调整、校正镜定心装调和系统星点成像装调的一般装调方法，装调后系统全视场靶面星点80%能量集中度在3×3个像元以内。
光学设计 光学装调 主焦点式 像质评价 optical design optical alignment prime focus image quality evaluation 光学 精密工程
2022, 30(23): 2987
