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
拼接式望远镜由于主镜加工难度低、运载方便和制造成本低等特点已成为未来大口径望远镜的重要发展方向之一。主动支撑技术的成功应用为拼接式望远镜共焦共相调节提供了充足的保障。针对拼接式望远镜主镜主动支撑系统，本文首先简述了其所涉及的主要技术，之后对具体应用实例进行归纳与分析，最后为拼接式望远镜主镜支撑系统的设计提出建议，对未来拼接式望远镜支撑技术的发展具有一定的参考意义。
光学器件 拼接式望远镜 主动支撑 促动器 激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0300006
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
拼接式主镜的设计使超大口径望远镜的构想成为现实。为了研究拼接式望远镜的成像性能，精确分析和量化了拼接式主镜构型、平移误差、倾斜误差对衍射效应的影响，从拼接式光学系统的成像原理出发，基于齐次坐标变换建立了拼接式主镜的光瞳模型，并仿真分析了拼接主镜构型对衍射效应的影响。分析结果表明：对于不同构型的拼接主镜，其衍射效应受拼接主镜的填充因子和孔径间隔共同影响，填充因子越高，孔径间隔越小，系统成像质量越好。以典型的拼接主镜构型为例，分别仿真分析了单个子镜平移误差、倾斜误差和拼接主镜整体平移误差、倾斜误差对衍射效应的影响。分析结果表明：对于单个子镜，平移误差对远场衍射的影响具有周期性；对于拼接主镜整体，当子镜piston误差的均方根值小于0.039λ时，斯特列尔比大于0.95；当子镜tip-tilt误差的均方根值小于0.036λ时，斯特列尔比大于0.95。分析结果为拼接式望远镜的成像性能分析、主镜的构型设计、平移误差和倾斜误差的检测与调整等提供了依据。
拼接式望远镜 衍射效应 主镜构型 piston误差 tip-tilt误差 segmented telescope diffraction effect primary mirror configuration piston error tip-tilt error
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
分析间隙及偏心影响下的子孔径远场光斑形态变化,并探索采用理想圆孔径模板库匹配含间隙及偏心孔径的远场图样进行共相的可行性及适用范围。数值仿真了不同间隙及不同掩模偏心下的远场光斑形态,得到了二者对远场形态的影响趋势;数值模拟了采用理想模板窄带共相的过程,分析了不同间隙及不同掩模偏心下,不同平移误差的共相精度。研究表明,间隙越大,远场扩展范围越宽;偏心越大,远场受平移误差调制的效应越不明显;当间隙比例因子或偏心比例因子不超过0.3时,可直接采用理想模板共相。该研究拓展了窄带共相算法的应用,为深入研究窄带共相算法提供了相应基础。
成像系统 拼接望远镜 平移误差测量 间隙 掩模偏心 窄带算法 激光与光电子学进展
2020, 57(8): 081101
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
下一代大口径望远镜有两个特点，一是主镜通过拼接而成，且是通过主动光学来控制它们之间的平移、倾斜误差；二是采用自适应光学来校正大气湍流。因此分析拼接误差对拼接镜像质的影响，对下一代望远镜发展有重要意义。通过理论及数值仿真分析了拼接式主镜中平移、倾斜误差以及边缘误差对拼接镜成像质量的影响，通过理论与仿真分析可知拼接镜平移误差与倾斜误差对拼接镜成像质量的影响是相互独立的，边缘误差对拼接镜像质的影响较小。
测量 拼接望远镜 天文学 检测 共相测量 激光与光电子学进展
2017, 54(7): 071202
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
为实现展开式拼接望远镜粗共焦共位相的调整, 本文采用三块子镜拼接的方式进行主镜面形的调整。首先由步进电机和直线电机实现宏动范围 (微米量级)内动态子镜的展开, 然后由压电促动器进行微动范围 (纳米量级)的调整。由三组压电促动器构成的三自由度调整平台可实现对子镜倾斜误差和活塞误差的精密调整。经试验验证, 三自由度调整平台对反射镜调整后的误差小于 0.5″；利用 ZYGO干涉仪对三子镜光学系统进行共焦检测, 测试结果显示三块子镜达到了共焦调整的目的。拼接式望远镜粗共焦共位相的调整为进一步面形误差补偿, 最终实现精共焦共位相提供了一定的技术基础。
展开式拼接望远镜 粗共焦共位相 压电促动器 三自由度平台 deployable and segmented telescope coarse co-phase of the focus piezoelectric actuator three-degree of freedom platform
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
针对附加像差为离焦模式的相位差异波前探测技术在实际工程应用中遇到的各类误差问题，以探测拼接型望远镜的共相误差为例，通过数值仿真对焦面位置误差、离焦量误差、图像对准误差、曝光延时误差及噪声误差对波前探测精度的影响进行了定量分析。并提出了通过改进相位差异算法进行消除相应误差项的方法，使得波前探测的均方根误差分别由校正前的0.06λ、0.0581λ、0.0754λ、0.0796λ、0.0737λ 分别下降为5.8834 × 10-4 λ、6.664 × 10-4 λ、3.5853 × 10-5 λ、6.1837 × 10-5 λ、0.0013λ, 且对于各误差项在较大误差范围内，仍可以保持上述相同量级的波前探测精度。结果表明:该方法可以有效地消除误差,大幅度提高波前传感精度，对于相位差异波前探测技术在实际工程中的应用具参考意义。
成像系统 相位差异 波前探测 误差分析 拼接型望远镜 共相误差
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
为了完成直径2 m 拼接红外相机的项目，采用圆形子镜加抛物面扇形分块镜的主镜拼接方案，完成了相机的光学系统设计；为了分析拼接失调误差对望远镜系统的影响，通过主镜的抛物面方程导出了拼接误差的波像差表达式，由此建立了波像差与干涉亮纹之间的线性关系，并在光线追迹的基础上，利用泽尼克多项式对其进行了仿真和验证，提出了基于泽尼克多项式实现拼接误差的线性反演方法，通过编写Python 程序模拟了单个子镜拼接过程中的误差反演。结果表明当拼接平移误差小于0.1 mm(或倾斜误差小于0.1°)时，采用干涉检测的方法，得到的反演偏差优于0.5%，且随着拼接误差的继续减小而趋近于零。
几何光学 分块拼接望远镜 泽尼克系数 数值仿真 激光与光电子学进展
2015, 52(11): 112203
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 长春理工大学 光电工程学院, 长春 130022
根据红外望远镜2m非球面拼接主镜的要求,通过非球面方程导出波像差表达式,建立波像差与干涉亮纹之间的关系,建立ZEMAX模型,编写MATLAB程序对拼接误差与干涉条纹的泽尼克多项式像差之间的关系进行仿真.提出基于误差灵敏度矩阵实现误差线性反演的方法,建立整个拼接镜的误差反演算法,并对单个扇形分块镜的拼接误差进行反演.结果表明当拼接平移误差小于1 mm或倾斜误差小于1°时,反演误差优于3%且迅速收敛,当拼接误差小于0.1 mm或倾斜误差小于0.1°时,反演误差优于0.5%,且随着拼接误差的继续减小而趋近于零.该反演方法准确度高,算法简单,有效,适合工程应用.
几何光学 分块拼接望远镜 泽尼克系数 灵敏度矩阵 数值仿真 Geometric optics Segmented telescope Zernike coefficients Sensitivity matrix Numerical simulation
1 中国科学院光电技术研究所, 成都 610209
2 电子科技大学光电信息学院, 成都 610054
3 中国科学院自适应光学重点实验室, 成都 610209
4 中国科学院大学, 北京 100049
本文根据衍射光学理论和几何光学理论, 利用已得到的拼接望远镜的理论解析表达式和建立的数值仿真模型, 对拼接望远镜光学系统的远场特性进行了分析计算, 包括系统的理论衍射光斑直径、点扩散函数、斯特列尔比以及光学传递函数等。并根据仿真模型分析了拼接主镜中分块镜平移误差和倾斜误差对拼接望远镜系统远场的影响。分析结果表明, 拼接主镜的平移误差和倾斜误差都影响系统的点扩散函数、斯特列尔比和光学传递函数, 并使远场成像模糊; 其中分块镜倾斜误差会额外引入平移量, 如果补偿掉平移量对望远镜系统的远场性能有很大提高。
拼接望远镜 远场图像 光学传递函数 斯特列尔比 segmented telescope far-field image MTF Strehl ratio
1 中国科学院光电技术研究所 自适应光学实验室, 成都 610209
2 电子科技大学 光电信息学院, 成都 610054
3 中国科学院自适应光学重点实验室, 成都 610209
4 中国科学院大学, 北京 10049
拼接主镜是建设大型天文望远镜最有效的技术途径, 尤其是对10 m及更大口径的望远镜.本文从光学衍射理论出发, 以10 m左右口径望远镜为例, 推导出了拼接望远镜光学系统点扩展函数的解析表达式, 建立了数学仿真模型, 并对影响望远镜系统远场像质的因素进行了计算分析.理论分析和仿真结果表明: 拼接望远镜的点扩散函数是分块镜的位置干涉函数和分块镜的点扩散函数的乘积; 分块镜间的间距会引起分块镜的衍射光斑展宽, 使远场峰值能量下降; 分块镜的平移误差会严重影响望远镜点扩散函数中的位置干涉函数, 从而降低望远镜系统的斯特列尔比; 分块镜的倾斜误差会在每个分块镜的点扩散函数引入频移, 因而影响拼接望远镜光学系统的点扩散函数, 降低望远镜系统的斯特列尔比.
拼接望远镜 远场图像 点扩散函数 斯特列尔比 平移误差 倾斜误差 Segmented telescope Far-field image PSF Strehl ratio Piston error Tip-tilt error 光子学报
2014, 43(11): 1122004
