随着用户对定位精度的要求越来越高，遥感器对视轴稳定性的要求指标也越来越高。随着相机系统复杂性的提高，部组件设计完毕后复算视轴稳定性的迭代设计方法越来越不可取。为将视轴稳定性指标分解到部组件，利用线性光学理论，以某相机为例，使用CODEV得到光学系统的视轴灵敏度矩阵。在此基础上，使用蒙特卡洛法将相机总体视轴稳定性指标分解到了各部组件。结果表明，若要视轴保持0.45″（CE90）的稳定性指标，主镜、次镜、三镜应分别保证最大平移不超过0.76、1.5、2.5 μm，最大角位移不超过0.1″、0.4″、0.8″。最后，根据设计后的相机模型复算了相机视轴稳定性，结果表明满足总体指标。该方法可为复杂遥感器设计之初的视轴稳定性指标分解提供参考。
遥感器 视轴 稳定性 灵敏度矩阵 蒙特卡洛法 camera line of sight stability sensitivity matrix Monte Carlo 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230354
红外与激光工程
2023, 52(7): 20220887
北京信息科技大学 光电测试技术与仪器教育部重点实验室北京100192
微创外科穿刺手术探针的末端力测量是实现其精准控制和提高手术质量的关键，对保证手术操作的安全性至关重要。本文针对穿刺手术探针末端力测量的实际需求，设计了一种可集成于探针中的法布里-珀罗（Fabry-Perot， F-P）腔级联布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）的光纤力传感器。首先，基于F-P腔的双光束干涉理论及光纤光栅传感理论并结合探针的悬臂梁结构，分析建立了植入在探针中光纤传感器的F-P腔和FBG传感模型，推导出F-P腔和FBG特征波长漂移量与施加力的映射关系，同时引入力与温度灵敏度矩阵，实现了探针力测量的同时有效避免了温度的交叉影响问题。接着，通过化学腐蚀的方法制备了光纤F-P腔并级联FBG形成传感器，并将传感器集成在手术探针中。最后，为了校准并检验本文所设计的F-P腔级联FBG光纤力传感器，对传感器进行了力与温度灵敏度的标定实验和稳定性测试实验。结果表明，该传感器的光纤F-P腔力灵敏度可达331.8 pm/N，FBG力灵敏度可达159.9 pm/N，线性度高于0.99，平均波长漂移为25 pm。本文设计的探针力传感器灵敏度高且线性度好，在微创外科穿刺手术机器人领域具有广阔的应用前景。
光纤传力感器 手术探针 法布里-珀罗腔（F-P腔） 布拉格光栅（FBG） 灵敏度矩阵 fiber force sensor surgical probe Fabry-Perot cavity（F-P cavity） fiber Bragg grating sensitivity matrix 光学 精密工程
2022, 30(20): 2421
1 中国科学院光电技术研究所光束控制重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
如何检测光学元件的偏心和倾斜误差是离轴望远镜系统装调中的一个关键问题。针对这一问题，提出了一种二阶灵敏度矩阵法。在偏心范围为（-3 mm，3 mm）和倾斜范围为（-3 mrad，3 mrad）时，绘制了Zernike系数与失调误差的关系曲线，该曲线与数据间的拟合优度都大于0.99，并求解出两个灵敏度矩阵，依据矩阵进行仿真实验，结果表明， x， y轴的均方根值分别为0.0023 mm 和 0.0043 mm，倾斜均方根值分别为0.0177 mrad和0.0031 mrad。仿真实验验证，与传统的灵敏度矩阵法相比，该方法具有更高的精度。
成像系统 离轴望远镜 失调误差 泽尼克系数 二阶灵敏度矩阵 激光与光电子学进展
2022, 59(8): 0811002
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
针对大口径望远镜光学系统内部空间限制的特点,为了实现失调量校正,提出了一种基于本征系数的失调量解算方法。该方法首先利用波前曲率传感器的原理,通过交替测量前后离焦面的方式采集光斑图。然后,利用无需分区探测的本征函数法进行波前重构,利用本征系数来表征系统波像差,并依据失调量建立灵敏度矩阵模型。最后,根据失调状态与理想状态的本征系数即可求解出失调量。与其他技术途径相比,该方法具有无需添加光学元件、无需分区探测、运算简单的特点。主镜直径为1.8 m的望远镜实验结果表明,当次镜偏心距离范围为-0.9~0.9 mm、倾斜角范围为-0.2°~0.2°时,利用本征系数灵敏度矩阵法得到的计算值的误差均小于10%,对大口径望远镜中的应用具有一定的意义。
光学设计 大口径望远镜 曲率传感器 本征系数 灵敏度矩阵 失调量解算 光学学报
2021, 41(19): 1922001
1 季华实验室，广东 佛山 528200
2 佛山科学技术学院物理与光电工程学院，广东 佛山 528200
在同轴三反光学系统成像理论的基础上，通过孔径光阑离轴及平面反射镜折叠光路，设计一个折叠式离轴三反光学系统。全视场范围内，光学系统在奈奎斯特特征频率为62.5 lp/mm处，调制传递函数的设计值优于0.58，成像质量接近衍射极限。基于光学干涉检测技术和计算机辅助装调理论，建立初级像差与光学元件失调量的灵敏度矩阵并分析失调光学系统的像差特性，在此基础上提出具体有效的光学精密装调方案。整机装调后光学系统全视场波像差的均方根值优于1/14λ（λ为波长）。使用相机对准模拟无穷远处的目标，在探测器极限分辨率为62.5 lp/mm处可以成像清晰，性能优异。
光学设计 三反系统 计算机辅助装调 灵敏度矩阵 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1722001
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
波前探测是辅助望远镜装调的主要技术手段,针对大口径光学系统内部空间受限的问题,提出一种基于本征模式系数求解失调量的计算机辅助装调方法。相比传统的灵敏度矩阵法,本文方法计算量小,不需要对探测器进行分区处理,简化了波前重构矩阵的构造。通过分析本征模式系数与次镜失调量的关系,建立两者之间的灵敏度矩阵模型,对1 m口径同轴三反望远镜进行装调仿真,在次镜偏心为±0.3 mm、倾斜为±0.2°的失调范围内,两步迭代实现了像差校正,得到的中心视场波前像差均方根值(RMS)均小于λ/14。该研究对未来大口径光学系统的装调工作有很好的实用价值。
激光与光电子学进展
2021, 58(12): 1211001
1 中国科学院光电技术研究所, 四川成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了调节视场较大的卡塞格林望远镜的次镜位置, 提出了两步式灵敏度矩阵模型的计算机辅助装调方法。在分析了传统的二次模型灵敏度矩阵法的缺陷的基础上, 根据灵敏度矩阵的特点加入了精调步骤, 对传统的灵敏度矩阵法进行了改进。针对卡塞格林系统, 分析了各项泽尼克系数与失调量之间的关系, 并对 300 mm口径, 0.6°视场的卡塞格林系统进行了校正仿真。仿真结果显示, 传统的灵敏度矩阵法校正后沿 x、y、z轴偏移及绕 x、y轴倾斜的失调量的均值分别为: -0.0684 mm、-0.0892 mm、0.0015 mm、0.0498°和-0.0444°, 全视场波像差 RMS均小于 0.1λ(λ=632.8 nm); 两步式灵敏度矩阵法校正后的均值分别为 -0.0018 mm、-0.0012 mm、0.0002 mm、0.0008°和-0.0012°, 全视场 RMS均小于 0.03λ, 明显优于传统的灵敏度矩阵法。
像差校正 灵敏度矩阵法 计算机辅助装调 卡塞格林系统 aberration correction sensitivity matrix method computer-aided alignment Cassegrain system
针对相位测量偏折术(PMD)检测平面光学元件面形的光路结构,系统地分析了各部件因各自由度的不确定度变化对重建面形的影响,并且提出了一种高精度的平面元件调整方法。通过对相移算法得到的显示器坐标与通过光线追迹得出的参考面显示器坐标进行比较,能够将被测镜调节至理想测试状态,从而能准确求出被测面上各点斜率,再采用波前重建算法,实现了光学元件面形重建。实验结果显示,有效口径为Ф140 mm的平面元件在去掉Zernike多项式前6项的面形数据与干涉仪的测量结果差值在RMS=5 nm以内,结果远优于未经过该方法调整的结果。因此,该调整方法可行,能够有效完成对平面元件的精密调整,具有很大的应用价值。
相位测量偏折术 自由度分析 灵敏度矩阵 光线追迹 精密调整 phase measurement deflectometry degree of freedom analysis sensitivity matrix ray tracing accurate alignment
1 云南天文台天文技术实验室, 云南 昆明 650216
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 云南北方驰宏光电有限公司, 云南 昆明 650217
定量分析了云南天文台 1m新真空红外太阳望远镜(简称 NVST), 副镜失调误差对主光轴偏移的影响。以格里高利双反射系统为例, 在综合像质达到衍射极限的前提下, 分析了副镜的离心和倾斜误差分别对光轴带来的影响, 然后分析了两种因素综合作用下, NVST光轴的可能的偏移量。模拟结果表明当副镜离心和倾斜单独存在且分别小于 0.121 mm和 0.01.时, 像质可达衍射限。当副镜离心与倾斜同时存在且耦合, 离心 4.5 mm倾斜 0.392.时, 像质仍可达到衍射限, 光轴已偏移 0.392., 远大于望远镜设计视场 0.083.。因此光轴稳定性是大型望远镜装调的一项必检指标。
红外望远镜 光学装调 光轴偏移 像质 弯沉 灵敏度矩阵 infrared telescope optical system assembly and alignment optic axis deviation image quality deflection sensitivity matrix
