2米望远镜液晶自适应光学系统的关键技术研究

发布时间：2017-10-24 22:25

  本文关键词：2米望远镜液晶自适应光学系统的关键技术研究

  更多相关文章： 自适应光学 光机结构设计 哈特曼波前探测器 大气色散校正器 胶粘反射镜 光学系统装调与检测

【摘要】：液晶自适应光学技术以其校正单元多、校正量大、价格低廉等优点,越来越受到人们的关注。近年来,液晶自适应光学系统与大口径地基望远镜匹配取得了很好的观测效果。随着望远镜口径的增大,成像分辨率要求的提高,望远镜系统对自适应光学系统的要求也越来越高。如系统中的关键器件哈特曼波前探测器,不仅要在光学设计上满足探测要求,同时还要在工作时无振动始终处于最佳位置,以保证高精度探测效果;随着成像分辨率的增加,原本不显著的大气色散问题也严重影响自适应光学系统的成像效果;光学元件尺寸的增大对支撑结构的要求提高等等。本论文针对与2米望远镜相匹配的液晶自适应光学系统的关键技术进行了研究。设计了哈特曼波前探测器。针对2米口径望远镜、大气相干长度10cm的探测条件,设计并模拟分析了哈特曼波前探测器的光学镜头,完成了与EMCCD的组装。采用曲柄滑块机构,实现了由直线运动转换为转动运动,获得了高精度、强稳定性的二维自动控制调节机构,使哈特曼波前探测器在俯仰和方位上的调节精度分别为±0.43角秒和±2.1角秒,优于6角秒的设计指标要求。分析了不同观测天顶角下的大气色散对系统成像分辨率的影响,以液晶波前校正器的校正中心波长785nm为基准,选择了折射率曲线交叉点在该波长处的FK51和QK3两种材料,将这两种材料的对称楔形胶合平板制成2个镜片,分别固定于对称反转的两空心转轴内,采用步进电机驱动,依据望远镜俯仰角进行自动控制旋转,制备出大气色散校正器,使目标光束在透过大气色散校正器后的成像位置不发生改变。为解决大气色散校正器中空心轴转角误差的测量问题,设计出基于自准直仪的360°连续转角测量装置,利用光楔消除了传统测量方法存在的轴系摆角误差,消除了摆角对测量结果的影响。利用该测量装置检测了大气色散校正器中两空心转轴的转角精度,分别为±0.05度和±0.07度,均优于0.1度的设计要求。提出了基于等效应力法的光学元件胶粘建模方法,解决了整体建模法的模型复杂问题,实现了中小型光学元件胶粘模型的快捷仿真分析。利用等效应力法模拟分析了温度对胶粘反射镜面形的影响,并进行了实验验证,实验和仿真结果基本吻合,证明了等效应力法的有效性。提出先单元模块装调、再进行单元模块对接的总体光路装调方案,设计并标定了光轴探测装置,利用该装置实现了液晶自适应光学系统的整体光轴装调,光学元件的装调精度可达±5角秒。提出了以倾斜镜为基准的液晶自适应系统孔径对准装调方案,利用液晶校正器施加离焦图案、哈特曼探测器实时探测的方法,实现了液晶校正器的校正区域和哈特曼探测器的探测区域的精确对准。最后,利用Zygo干涉仪和哈特曼波前探测器对装调光路进行了检测,探测支路与校正成像支路的波像差RMS分别为0.09λ和0.06λλ632.8nm,均优于0.1λ的设计要求。本论文详细研究了2米望远镜液晶自适应光学系统的研制关键技术,为液晶自适应光学系统的工程应用奠定了基础,同时也为与4米、8米等大口径地基望远镜相匹配的自适应光学系统的研制提供了经验。
【关键词】：自适应光学 光机结构设计 哈特曼波前探测器 大气色散校正器 胶粘反射镜 光学系统装调与检测
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH743
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 自适应光学在空间目标观测中的作用13-16
• 1.2 液晶自适应光学系统的优势及发展现状16-25
• 1.3 本论文的研究内容25-27
• 第2章 液晶自适应光学系统的光学结构设计27-37
• 2.1 引言27
• 2.2 2米望远镜的液晶自适应光学系统的工作原理及技术要求27
• 2.3 2米望远镜的液晶自适应光学系统的光学结构27-31
• 2.4 液晶校正器响应矩阵的测量光路31-34
• 2.4.1 液晶响应矩阵测量光路的设计31-32
• 2.4.2 反射镜的移动精度分析32-34
• 2.5 出瞳误差分析34-35
• 2.6 小结35-37
• 第3章 液晶自适应光学系统中主要部件的光机结构设计37-99
• 3.1 引言37
• 3.2 哈特曼波前探测器的设计37-60
• 3.2.1 微透镜阵列和CCD相机的选择38-40
• 3.2.2 哈特曼波前探测器的光学结构设计40-43
• 3.2.3 哈特曼波前探测器的高精度调节机构设计43-49
• 3.2.4 回程差分析49-51
• 3.2.5 调节机构稳定性分析51-53
• 3.2.6 调节机构实验测试53-60
• 3.3 色散校正器的设计60-83
• 3.3.1 色散校正器的光学设计64-71
• 3.3.2 色散校正器的机械结构设计71-72
• 3.3.3 转角测量系统的设计72-80
• 3.3.4 转轴转角的测量80-83
• 3.4 反射镜支撑结构分析83-96
• 3.4.1 温度变化对反射镜的应力作用86-88
• 3.4.2 强迫位移约束对反射镜面形的影响88-92
• 3.4.3 实验对比分析92-96
• 3.5 小结96-99
• 第4章 液晶自适应光学系统的装调与检测99-119
• 4.1 引言99
• 4.2 装调与检测方案的提出99-107
• 4.2.1 元件的装调方案99-103
• 4.2.2 系统的检测方案103-107
• 4.3 前准直单元的装调与检测107-110
• 4.4 校正成像单元的装调与检测110-111
• 4.5 其他单元的装调与检测111-113
• 4.6 单元间对接及系统整体检测113-117
• 4.7 小结117-119
• 第5章 结论与展望119-121
• 参考文献121-135
• 在学期间学术成果情况135-137
• 指导教师及作者简介137-139
• 致谢139-140

【参考文献】

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本文编号：1090834