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
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033
大型望远镜的次镜支撑系统受重力影响，在不同俯仰角状态下会引入不同幅度的姿态误差，导致系统光路偏移，最终影响终端成像设备。如果不进行次镜姿态校正，在望远镜俯仰运动过程中，像点偏移过大，会导致精跟系统超限失效问题，基于望远镜主次镜光学设计参数，利用次镜的曲率中心点和主次镜光路的无彗差点以及次镜六自由度平台，建立了一种次镜姿态校正方法，基于望远镜俯仰角进行次镜姿态校正。通过次镜姿态校正，使望远镜仰角变化时精密跟踪系统前端光路的最大偏移角度由12.85″优化至1.80″。该次镜姿态校正方法易于实现，效果明显，能够满足精密跟踪系统前端的光路粗对准需求，保证高分辨成像系统性能。
主动光学 大型望远镜 次镜 无彗差点 active optics large telescope secondary mirror coma free point 光学 精密工程
2022, 30(23): 3090
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
基于半主动光学技术的半主动支撑，通过力矩促动器(Warping Harness, WH)弹簧叶片将校正力转换为校正力矩，对由重力、温度等误差源引入的镜面低阶像差进行校正。针对利用传统经验设计反射镜时存在的设计缺陷，提出一种反射镜支撑系统优化设计新方法，即结合结构尺寸优化和经验设计的镜面支撑系统综合设计优化方法，并建立一套基于WH 的半主动镜面支撑系统。首先，按照经验公式设计了支撑系统初始结构；设计了一款L形镂空式WH弹簧叶片，并对其开展了非线性分析及疲劳分析，确定叶片厚度为2 mm、寿命为1.2×106次。然后，通过优化镜面支撑点位置、三角板柔节位置、支撑系统柔性件关键尺寸参数，将光轴竖直及水平状态下镜面RMS值由119 nm和106 nm分别降至13.3 nm和4.8 nm；1 °C温差状态下镜面面形差由2.8 nm降至1.9 nm；一阶谐振频率由80 Hz提升至130 Hz。最后，采用提出的方法对半主动支撑系统的校正能力进行验证。结果表明：本套半主动支撑系统对镜面离焦、初级像散、初级慧差、初级球差的校正率最高可达99%，且校正后各像差幅值均小于1 nm；室温自重状态下对镜面面形RMS值校正率最高可达46.5%；温升10°C情况下的校正率为31.28%。
支撑系统 集成优化 半主动光学 力矩促动器 低阶像差 support system integration optimization semi-active optics Warping Harness low-order aberrations
1 中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学技术研究室，陕西 西安 710119
2 中国科学院西安光学精密机械研究所总师办，陕西 西安 710119
3 中国科学院西安光学精密机械研究所先进光学元件试制中心，陕西 西安 710119
4 中国科学院西安光学精密机械研究所航空光电技术研究室，陕西 西安 710119
变曲率反射镜是一种主动光学元件，通过改变自身曲率半径实现对波前的动态控制。首先对变曲率反射镜国内外现状及发展趋势进行了综述；其次，建立了变厚变曲率反射镜形变物理模型，对兼顾大中心形变与高面形精度的机理进行了理论分析，并通过形变的面形精度保持实验对其性能进行了验证；最后，从三个方面探索了变厚变曲率反射镜在空间光学相机中的应用：1）针对大变倍比变焦成像对反射镜超大中心形变的要求，设计了基于有限元迭代并叠加高阶球差的反射镜优化流程，实现了近毫米级中心形变反射镜设计；2）针对空间光学相机成像对调焦精度及速度的要求，提出了基于次镜变曲率反射镜的高精度大动态调焦方法；3）提出了积分时间内利用变曲率次镜沿光轴方向快速扫描的编码成像方法。
光学器件 主动光学 变曲率反射镜 空间光学相机 光学变焦 调焦 光学学报
2022, 42(17): 1723002
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了简化空间相机在轨高分辨率成像的促动方案,提出基于渐变厚度形式的主动变形镜双促动结构。首先根据弹性力学理论,建立波前像差表示方法与变形镜渐变厚度的理论关系,可以求解出各种像差模式所需的厚度分布。然后通过结构建模、有限元分析、面型拟合计算和光学性能评估的光机力一体化模拟仿真,定量化评估像差的补偿效果。最后设计渐变厚度变形镜光机结构方案和驱动方案,采用两个促动器来实现球差与像散的校正。变形镜受力形变实验结果表明,双促动变形镜可产生较好的球差与像散,能够避免印透效应,有效补偿自身的加工误差与光学系统的波前误差。
光学设计 主动光学 渐变厚度变形镜 高分辨率空间相机 像差校正 光学学报
2021, 41(24): 2422001
1 国防科技大学智能科学学院, 湖南 长沙 410073
2 中国人民解放军31636部队, 云南 昆明 650300
夏克-哈特曼传感器是自适应光学中应用最广泛的波前传感器,它不仅可以测量大气湍流引起的畸变,还可以测量由风、温度变化和机械应力产生的镜面位置误差引起的像差。基于夏克-哈特曼传感器,推导了子孔径斜率与装配误差之间的函数关系,提出了一种基于光学系统失调前后点阵光斑质心偏差信息的计算机辅助装调方法,将装配误差求解问题转换成多目标优化问题,可采用多目标智能优化算法进行求解该问题。以某三反光学系统为例,基于Python和Zemax联合仿真进行模拟装调,仿真结果表明,经三次迭代可将失调误差校正到微米级,这可满足实际装调需求,结果验证了所提方法的正确性。
光学设计 计算机辅助装调 夏克-哈特曼传感器 失调计算 主动光学 光学装调 光学学报
2021, 41(20): 2022001
1 中国科学院南京天文仪器研制中心, 江苏 南京 210042
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院南京天文仪器有限公司, 江苏 南京 210042
主动光学是现代大型反射式光学望远镜领域的一项关键技术,能够有效减少像差,提升成像质量,然而,现有校正算法严重依赖系统的响应矩阵和物理参数;由于实际望远镜系统的误差具有一定的随机性和非线性,往往难以获得精确的响应矩阵和物理参数模型,从而导致校正精度不理想或者需要多次校正。针对这些问题,提出一种不依赖响应矩阵和物理参数模型的深度学习校准(DLCM)算法。该算法借助深度神经网络强大的预测和自学习能力,建立校正算法所需的动力学模型网络、策略网络和决策单元,只需要结合相应设备就可以让控制系统自动学习并自动优化,从而完成镜面校正工作。最后,使用ANSYS有限元仿真对DLCM算法进行验证,结果表明,本文算法能够快速精准地完成校正工作,并且,无论校准速度还是校准精度,均优于传统校准算法。
成像系统 主动光学 深度学习 卷积神经网络 启发式搜索 进化策略
1 中国人民解放军91550部队, 辽宁 大连 116023
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
大口径大视场望远镜主动光学系统, 需要基于离焦星点像完成波前探测与系统闭环。 为了实现系统的有效运行, 本文对离焦星点像边缘区域与波前传感精度之间的关系开展了相关研究。首先, 根据电磁波的传输方程介绍了曲率传感算法。接着, 以像散与彗差为例从理论上分析了典型边界条件对波前解算的影响。然后, 分析比较了不同像元分辨率对信息完备性的影响。最后, 在极限采样率下, 对波前重建误差进行了仿真分析。实验结果表明: 在连续边界的情况下, 单位圆边缘引入的误差约为35%(未进行迭代); 离焦星点像在100个像元以下时, 其携带信息的能力迅速下降; 在接近100个像元时, 对彗差的检测误差为0.08个波长, 与400个像元时相比约下降14%。因此, 在时-空分辨率要求较低, 即采样率不高的情况下, 考虑闭环主动光学的误差收敛效应, 忽略边界效应也可以满足主动光学波前传感需要, 但在高时-空分辨率测量的情况下, 边缘的影响不可以忽略。
大口径大视场望远镜 主动光学 波前传感 边界条件 large survey telescope active optics wavefront sensing boundary conditions 光学 精密工程
2020, 28(10): 2260
1 长春工业大学机电工程学院, 吉林 长春 130012
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
3 吉林大学机械与航空航天工程学院, 吉林 长春 130025
在超大口径原位加工与检测中, 目前多采用被动式 Whiffletree液压支撑系统(原位支撑), 而该类支撑单元的轴向刚度存在较大差异性, 会显著影响轻薄型反射镜的面形精度。为解决这一问题, 研究了主动型原位支撑的支点布局、单元刚度和主动校正力的联合优化方法。首先, 针对支撑单元刚度差异, 提出了支撑刚度、支点位置的分级布局优化方法, 获得了支撑系统的初始优化解; 其次, 结合模式定标法和最小二乘法, 进行了支撑点主动力校正, 以获得支撑面形的最终优化解; 最后, 结合具体案例的数字仿真试验, 验证了方法的有效性。结果表明: 对于 4 m弯月型轻薄反射镜, 仅被动支撑下, 分级布局优化后, 60点方案面形精度 RMS值由 150.6 nm减少到 32.9 nm, 78点方案面形精度 RMS值由 45.2 nm减少到 22.6 nm, 优化效果显著; 进一步经主动校正后, 60点方案和 78点方案面形精度 RMS值分别为 14.6 nm和 6.9 nm, 均满足面形精度 RMS值小于 λ/40(λ=632.8 nm)的指标要求; 最终选取 60点轴向支撑方案。通过对支点布局、支撑刚度和校正力进行联合优化, 可以大幅增加原位支撑系统的适用性、灵活性, 降低实施难度。
布局优化 主动光学 液压 Whiffletree 刚度差异 原位支撑 layout optimization active optics hydraulic Whiffletree stiffness difference in-situ support
