HI,欢迎来到学术天下网

基于色散条纹传感技术的拼接镜共相方法研究

分享到:
  • 论文详细
作者:
孟玉凰
导师:
徐抒岩
学科专业:
光学工程 
文献出处:
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2016年
关键词:
色散条纹传感器论文  拼接镜论文  共相检测论文  平移误差论文  主动光学论文  

摘要:为追求更高的分辨率,空间成像光学系统的发展趋势就是长焦距和大口径。但是以现有的技术水平,单块望远镜口径的增大会给镜面的加工检测、望远镜支撑以及后续的使用维护带来很大困难。拼接主镜概念的提出,突破了传统的全口径光学系统设计理念,将完整的光学系统“化整为零”,在有效地减小望远镜的质量和造价的同时,保证了系统成像质量,为制造大口径及超大口径空间望远镜指出了一个新方向。但是,采用拼接式主镜的望远镜系统,也伴随着许多新的技术问题,其中最具挑战性的、也最为关键的,就是拼接子镜之间的共相误差探测。对于拼接型望远镜,为使望远镜系统达到或接近衍射极限的成像质量,要求各个子镜达到光学上的共焦共相。实际上,共焦易于实现,难点在于共相。传统的波前探测方法如剪切干涉法,夏克-哈特曼波前传感法以及曲率传感法等,由于自身结构复杂并且对拼接镜的平移误差不敏感,很难用于拼接镜系统的平移误差检测。相位差法虽然能以较高的精度对平移误差进行探测,但其检测范围十分有限,所以很难用于较大平移误差的探测。不同于这些常规的波前探测方法,色散条纹检测技术通过从非单色光源照射相邻子镜拼接区域得到的明暗条纹中提取光强信息,实现拼接镜平移误差的非接触式测量。具有操作方便、自动化程度高、体积小、成本低、量程大、抗干扰能力强等优点,尤其适用于空间望远镜在轨检测。本文对基于色散条纹传感技术的拼接镜共相方法展开了研究。根据色散条纹传感技术的检测原理,构建了色散条纹传感器的光学成像模型,并利用计算机对整个检测流程进行了仿真研究。为解决色散条纹检测技术对波长以内平移误差失效的问题,提出了两种辅助检测方法——色散哈特曼检测法、色散模板匹配法,并通过仿真验证了这两种方法的可行性。结合这几种方法,色散条纹传感器在可见光范围内能准确检测±60μm量程范围内的平移误差,检测精度可达l10,实现了粗共相和精共相的无缝衔接。同时,详细定量分析了影响色散条纹传感器性能的误差因素:哈特曼子透镜定位误差、棱栅定位误差、提取信号列位置误差。通过模拟不同误差下的色散条纹,分别采用色散条纹检测法、色散哈特曼检测法、色散模板匹配法对不同程度的误差进行测试,根据测试结果确定这几种检测方法对系统误差的容许程度和抵抗能力。特别地,对采集信号列相对中心列位置的偏移造成的检测误差,提出了多路采集和提高波长标定精度等相应的解决方法,并且针对色散条纹检测算法提出了新的改进方案,利用相位项解算平移误差的拟合残余量,降低其对微小标定误差的敏感程度。最后,设计了色散条纹传感器检测系统,搭建了光学实验平台,对色散条纹检测法探测拼接镜平移误差进行了实验验证。实验结果表明,该方法可以有效地完成对平移误差的大量程、无盲区、高精度检测,在空间和地基拼接型望远镜的粗共相标定和控制领域有广阔的应用前景。

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 大口径望远镜发展简史

1.3 空间拼接型望远镜主动光学技术

1.4 典型共相误差检测方法

1.5 色散条纹传感技术的研究现状

1.6 论文主要研究内容及章节安排

第2章 色散条纹检测技术理论研究

2.1 光学成像系统的基本原理

2.2 色散条纹检测方法的基本原理

2.3 棱栅的设计理论

2.3.1 棱栅工作原理

2.3.2 棱栅设计特点

2.4 非线性最小二乘拟合方法

2.4.1 高斯-牛顿法

2.4.2 列文伯格-马夸尔特法

2.5 本章小结

第3章 色散条纹检测系统设计及仿真研究

3.1 色散条纹检测系统设计

3.2 色散条纹检测法的仿真研究

3.2.1 色散条纹仿真

3.2.2 检测信号的采集和处理

3.2.3 仿真结果研究分析

3.3 色散哈特曼检测法及其仿真研究

3.4 色散模板匹配法及其仿真研究

3.5 本章小结

第4章 色散条纹检测系统的误差分析

4.1 哈特曼子透镜定位误差

4.2 棱栅定位误差

4.3 提取信号列位置误差

4.4 本章小结

第5章 基于色散条纹传感技术的共相误差探测系统实验

5.1 色散条纹检测实验系统

5.2 实验过程及结果

5.3 实验结果分析

5.4 三子镜三拼缝相对闭合回路平移误差探测方案

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文主要工作总结

6.2 进一步的研究展望

参考文献

在学期间学术成果情况

指导教师及作者简介

致谢