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 红外与激光工程
2021, 50(10): 20210224
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
随着光学元件的口径增加，无论是在加工检测还是在站址观测过程中，镜面视宁度的影响已经越来越难以忽略。在此情况下，研究可以定量测量镜面视宁度的方法与设备就显得十分重要。基于曲率/斜率混合传感策略，结合冷冻湍流假设实现镜面视宁度评价在时-空域上的转化，实现对镜面视宁度大动态范围的检测。首先，对曲率/斜率混合传感的基本方法进行了理论推导，并以标准化点源敏感性作为评价指标进一步分析了检测过程中的镜面视宁度变化。实验结果显示，在热扰动流场较为均匀时，镜面视宁度的影响较流场反复变化时小，由于湍流不稳定所引入点源敏感性（PSSn）为0.971 8。实验结果证明基于曲率/斜率混合传感的方法可以定量分析大口径光学元件镜面视宁度，对于后续开展的大口径系统设计优化与检测加工具有很好的指导意义。
大口径光学系统 镜面视宁度 曲率传感 波前斜率 large optics system mirror seeing curvature sensing wavefront slope 红外与激光工程
2021, 50(7): 20200419
红外与激光工程
2021, 50(6): 20200358
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
为了探究宇宙起源与演化过程，大口径巡天望远镜将突破已有的探测深度和广度，帮助人类解决更多科学前沿领域问题。大口径校正镜组不同于普通的透射式光学系统，为了使校正镜组性能满足设计要求，总结分析了透镜支撑设计的基本原理和一般方法，建立了弹性体有限元模型，进行了参数化分析并优化了支撑结构关键部位。着重考虑透镜和镜室在不同重力载荷下的位移变形、应力变化和成像质量要求。结果显示，在0°～90°俯仰角变化范围内，弹性体支撑的透镜标准化点源敏感性值最小值为0.973 1，其面形误差、应力和位移等方面均满足系统设计要求，以上的工作对于类似的大口径系统设计与优化有着一定指导意义。
大口径光学系统 支撑结构 有限元分析 校正镜组 large aperture optical system supporting structure finite element analysis corrector 红外与激光工程
2020, 49(S1): 20200124
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
为了更好地对大口径光学系统进行误差分析、分配, 本文在美国TMT主镜团队所提出的“标准化点源敏感性”的基础上, 研究了大口径合成孔径望远镜各项误差的特性及其分配。首先, 对“标准化点源敏感性”的基本性质进行了研究, 论述了其作为大口径合成孔径望远镜全频域评价指标的优越性; 之后, 分析了不同误差源对合成孔径望远镜“标准化点源敏感性”的影响, 以及在不同评价尺度下对应的标准化点源敏感性; 最后, 利用标准化点源敏感性与斜率均方根之间的关系, 针对合成孔径望远镜子镜间相对位置误差存在封闭性的特点, 提出了基于“Brownian Bridge”过程与“标准化点源敏感性”的误差模型。本文的工作对于类似的大口径系统设计与检测也有着一定指导意义。
合成孔径 大口径望远镜 误差建模 标准化点源敏感性 synthetic aperture large telescope error modeling normalized point source sensitivity
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
主镜支撑技术一直是大口径望远镜技术的关键技术, 以2 m SiC轻量化主镜为研究对象, 探究了通过力矩校正的半主动支撑方法, 用于校正一些由于加工误差、装配误差等因素引起的一些不可预知的因素所导致的低阶波前像差。首先建立有限元仿真模型, 进行仿真分析, 分别在6处Tripod柔铰处施加两个方向正交的, 大小为1 Nmm的单位校正力Mx和My, 共分析12种工况下的主镜变形情况; 然后利用微小变形的线性叠加原理, 分析计算该力矩校正方法对低阶波前像差的校正能力, 由分析计算可知, 该力矩校正方法对于加工、装配及装调过程中最常出现的倾斜和像散具有很好的校正能力, 可以将初始镜面RMS值归一化为1/10λ(λ=632.8 nm)的像差, 分别校正到0.687 nm和2.97 nm, 校正能力分别为98.9%和95.3%, 所需的最大校正力矩分别为6.3 Nmm和19.9 Nmm; 然后根据主镜的whiffletree支撑结构, 设计了力矩校正结构方案; 最后通过试验验证柔性薄片力矩校正结构形式的可行性, 进而验证半主动支撑力矩校正方案的可行性, 为半主动支撑的工程应用积累了一定的宝贵经验, 具有一定的指导意义。
主镜支撑 力矩校正 半主动 SiC SiC primary mirror support moment correction semi-active 红外与激光工程
2019, 48(5): 0518003
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
研究了稀疏孔径镜面硬点与边缘传感器布局对稀疏孔径相对位姿控制精度的影响。利用离散孔径镜面几何特性, 建立了一个由7个圆形子孔径组成的主镜模型, 并推导了子孔径间相对位姿控制矩阵。鉴于控制矩阵条件数大这一特点, 采用广义最小二乘法求解, 引入岭估计并给出了控制矩阵误差函数上确界, 分析了128种边缘传感器与硬点布局以及几何距离对控制矩阵条件数的影响。仿真结果表明: 硬点和边缘传感器的几何布局与系数矩阵存在内在联系; 离散孔径相对位姿控制系数矩阵存在严重的复共线现象,法矩阵出现严重病态; 硬点布局与改善系数矩阵病态性弱相关; 在硬点布局一定时, 增大相邻两边缘传感器间距, 控制矩阵条件数明显减小。针对控制矩阵病态问题,采用岭估计通过选择合适的岭参数病态特征得到了有效抑制, 该方法更能有效利用冗余的边缘传感器结构, 实现数据融合并保证测量系统的稳定可靠。
主动光学 位姿控制 岭估计 稀疏孔径 active optics pose control ridge regression sparse aperture 红外与激光工程
2019, 48(3): 0318003
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
为了更好地实现巨型可控科学反射镜原理演示验证平台(Giant Steerable Science Mirror Prototype, GSSMP)的指向功能, 需要对GSSMP的转动精度进行测量与标定, 利用激光跟踪仪对转台编码器进行标校, 并通过激光跟踪仪完成角度测量。首先, 基于角度测量原理进行了接触式测量和非接触式测量方式的单点精度标校, 得到测量误差分别为23.7″与0.71″。通过公式推导验证, 四个角反射器的使用能够消除6以及6的倍数谐波之外所有阶数的谐波, 从而提高测量精度。最后, 比较四个角反射器两种不同的排布方式的角度测量误差, 得出均匀分布的误差为11.5″, 非均匀分布误差为9.04″, 而单个角反射器测量误差为23.7″。通过激光跟踪仪对望远镜方位轴转动精度的测量, 验证了所述理论的正确性与方法的可行性。研究结果对于30 m望远镜的工作进一步完成有着重要的意义, 同时对于类似的转台精度的检测也有一定的指导意义。
误差分析 角度测量 转动精度标定 激光跟踪仪 error analysis angular metrology rotation calibration laser tracker 红外与激光工程
2018, 47(9): 0917004
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
为了更好地对三十米望远镜三镜, 即巨型科学可控反射镜(Giant Steerable Science Mirror, GSSM)的抖动(Jitter)特性进行研究, 利用信号的复数表达分别分析了时域积分与频域积分的特性, 明晰了二者之间的关系, 并从积分精度的角度上, 选择频域积分作为GSSM Jitter 数据的处理方法。同时, 对比了高精度编码器以及高精度加速度计对抖动测量的适用性, 验证了使用加速度计测量的合理性。针对 GSSM 内部振动的影响, 选择频响函数法测量内部作用力。最后, 对GSSM缩比模型进行了Jitter检测, 得到镜面方向Jitter 为0.079 7 μm, 方位轴方向为14.143 2 mas, 俯仰轴方向为20.747 5 mas, 内部作用力为0.003 3 N。
三十米望远镜 三镜 抖动测量 频域积分 加速度计 Thirty Meter Telescope(TMT) tertiary mirror Jitter measurement frequency domain integration accelerometer
