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 长春理工大学 , 吉林 长春 130022
为了保证大口径光学镜面加工检测的质量和效率, 提出了提高大口径光学系统镜面视宁度检测精度的方法。利用电子自准直仪以及平面镜确定波前斜率, 推导了基于斜率信息与镜面视宁度之间的关系。为了提高测量精度, 突破单台自准直仪精度限制, 采用三台自准直仪进行互标校。为了进一步降低误差, 使用六自由度平台支撑立方反射体, 使精度提高至0.01″量级。另外, 结合频响函数的相关理论, 估计得到了六自由度平台在检测环境下所引入的误差。最后, 引入标准化点源敏感性(PSSn)对结果进行评价, 并开展了数值仿真实验。针对模拟镜面视宁度, 分别计算两个方向的斜率功率谱以及原始波前功率谱, 然后利用之前给出的功率谱与PSSn之间的关系得到了两个方向的PSSn均为0.999。该镜面视宁度测量方法可以在模拟望远镜实际工况下, 完成对于系统主镜视宁度的定量预测。
光学检测 镜面视宁度 大口径光学系统 功率谱 自准直仪 optical test mirror seeing large aperture optical system Power Spectral Density(PSD): autocollimator 光学 精密工程
2017, 25(10): 2572
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 长春理工大学 , 吉林 长春 130022
为了充分分析三十米望远镜(TMT)巨型可控科学反射镜(GSSM)系统平面镜面形精度与跟踪指向精度要求, 需要对其建立完善的系统误差模型。本文采取自上而下的系统误差分配方式, 基于TMT望远镜系统的标准化点源敏感性(PSSn)指标, 利用其良好的合成与分解特性, 对技术指标进行理解与分析, 最终转换为平面镜面形精度与跟踪指向精度要求; 另一方面对影响系统性能的扰动因素进行了分析, 对于静态误差, 利用有限元分析结果, 比较了重力印透与大气扰动对PSSn的影响, 对动态误差而言, 使用系统传递函数进行系统性能评价。最后, 提出了各个关键部件的指标要求, 建立了GSSM的系统误差模型, 结果满足TMT望远镜系统要求, 可作为开展GSSM系统研制的依据。通过分析系统静态误差和动态误差与PSSn的关系发现: 当r0小于0.1 m时, 视宁度对 PSSn 的影响较大; 只有在大气视宁度较好的情况下, 镜面印透才可以发挥作用。随着振动幅度的增加, 系统传递函数退化, 其PSSn会从0.996相应地减少到0.992。通过本文研究可以得出, PSSn作为下一代望远镜性能评价与误差分配指标有着特有的优势, 其独特的合成特性与频域计算方法, 可以对下一代望远镜的建设做出巨大贡献。
误差分析 系统工程 三十米望远镜 Error analysis system project PSSn PSSn GSSM GSSM 30-meter 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
考虑光学望远镜系统的设计和配备与镜面视宁度相关, 本文引入了标准化点源敏感性(PSSn)来改善传统评价手段的局限性, 以实现镜面视宁度的全频域内评价。介绍了镜面视宁度的概念以及各大口径望远镜对镜面视宁度的检测与评价方法, 同时指出了之前使用的评价指标与评价方法的缺点不足。基于30 m望远镜研究团队所提出的全频域评价指标——标准化点源敏感性(PSSn)提出了新的评价方法。分析了PSSn的特性, 并利用其良好的合成特性以及不同的曝光函数, 得到了不同曝光条件以及视宁条件下的PSSn表达式。最后, 利用在大口径波前上随机选取子孔径的方法, 模拟了冻结湍流假设下的镜面视宁情况, 并对其PSSn的变化进行了估计, 验证了本文方法的可行性。基于本文所提出的对于镜面视宁度的评价与分析, 系统工程师可以全面客观地评价大口径系统的镜面视宁度, 结合PSSn的优良合成特性建立合理的误差树, 有效提高匹配精度, 降低系统建造成本。
大口径望远镜 镜面视宁度 标准化点源敏感性(PSSn) 视宁度评价 冻结湍流 功率谱 large aperture telescope mirror seeing Normalized Point Source Sensitivity(PSSn) seeing evaluation frozen turbulence power spectral density
1 长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
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
为满足30 m望远镜(TMT)三镜系统(M3S)对质量和刚度的要求, 研究了合理分配该系统各部分刚度的方法。针对M3S的第一阶谐振频率不小于15 Hz的要求, 本文基于M3S的结构组成对模型进行适当地简化, 然后使用前期设计数据建立了四质量点弹簧-质点模型。研究了三镜支撑系统支撑刚度的组成, 使用特征值反解的方法得到了简化模型在6个广义方向上的刚度矩阵。最后,给出了系统中所有弹簧代表的刚度, 并将这一简化模型和计算结果用来指导后期的结构设计和控制设计。使用运动学仿真软件Adams对分配结果进行了验证, 验证结果显示, M3S各部分刚度配比合理, 系统的基频能够达到15.1 Hz, 满足设计要求。采用本文的刚度分配方法, 可以有效地提高系统设计的效率与合理性。
30 m望远镜 三镜系统 弹簧-质点模型 特征值反解 第一阶谐振频率 有限元方法 Thirty Meter Telescopy(TMT) Tertiary Mirror System(M3S) lumped-mass model inverse eigenvalue problem first modal frequency Finite Element Method(FEM)
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of High Power Semiconductor Lasers, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
2 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
We propose a sub-aperture stitching algorithm based on a frequency domain that can be denoted as a power spectral density (PSD). Our algorithm is verified by the experimental data obtained from measuring a Φ1.23 m mirror at the Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics. Then, we apply it to the Great Steering Science Mirror (GSSM) of the Thirty Meter Telescope (TMT) with the simulated data before the preliminary design phase, and obtain a more objective result on the frequency domain aberrations. Therefore, the sub-aperture stitching-based PSD is expected to be useful for specifying a large aperture mirror surface for mirror vendors.
120.3940 Metrology 110.6770 Telescopes 110.3925 Metrics Chinese Optics Letters
2015, 13(4): 041201
1 长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022
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
为了更好地进行大口径光学元件轮廓测量，以激光跟踪仪作为测量的工具，引入测量平差理论对测量数据进行处理，以提高光学元件毛坯制作、铣磨加工阶段的轮廓测量精度。首先，对拟合误差的公式进行了推导，得出影响拟合精度的因素; 之后，对于大口径元件轮廓测量的具体检测模型提出了提高拟合精度的方法; 最后，对于实际的2 m量级口径的SiC主镜进行了实际的测量与拟合，并从F数、拟合残差、结构函数等角度分析了平差结果。所提出的方法对于大口径元件的加工检测具有较好的指导意义。
轮廓测量 大口径光学元件 激光跟踪仪 测量平差理论 结构函数 profile metrology large aperture mirror laser tracker adjustment theory structure function 红外与激光工程
2015, 44(10): 2965
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 小卫星技术国家地方联合工程研究中心, 吉林 长春130033
4 国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心, 北京101300
5 上海海洋大学, 上海 201306
基于在轨成像物理机理的立体测绘相机成像建模与仿真综合考虑了大气辐射传输、卫星运行平台、光学系统成像、相机辐射响应等各个环节, 采用数值模拟技术进行精确建模, 可用于进行成像过程端到端的完整分析, 评估成像系统设计可行性及成像质量。本文以可见光立体测绘相机为例, 采用高精度高、分辨率地表物理模型作为输入源, 首先结合立体测绘相机内外方位元素计算正视相机和前视相机CCD光敏面各亚像元区域中心的观测向量, 然后根据目标相机的成像参数得到地面目标在相机入瞳处的辐亮度, 最后通过光线追迹算法和光学系统点扩散函数模型计算探测器靶面的辐通量, 经由探测器辐射响应模型得到数字影像。实验结果表明, 正视相机几何物理模型定位精度达124 m, 前视相机定位精度达193 m, 能够较为可靠地模拟出立体影像, 模拟方法可行。
仿真 物理机理 光线追迹 立体测绘 simulation physical mechanism ray tracing stereo mapping
1 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
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
介绍了一种受到视宁限制的光机系统的光学抖动,针对系统波前误差的中高频分量,引入功率谱方法,提出一种波前光学抖动的评价方法并将此方法应用于激光平面波前的实际检测结果,得出了该系统光学抖动的频域特性.该方法可对受视宁限制的光机系统的误差测量与分析有很好的帮助；同时,对光学系统波前质量的评价有一定的指导意义.
测量 光学抖动 功率谱 大口径光学系统 视宁度 激光与光电子学进展
2015, 52(9): 091201
