温度对星载成像光谱仪谱线漂移的影响

为了研究温度对成像光谱仪谱线漂移的影响,分析了谱线漂移与光谱成像系统各镜面刚体位移之间的关系,建立了温度对成像光谱仪谱线漂移影响的理论模型,通过软件仿真和热光学试验对理论模型进行了验证和修正。基于线性光学理论建立了镜面刚体位移对谱线漂移影响的数学模型,使用蒙特卡罗法对理论模型进行了数值仿真验证;采用有限元法求解了温度载荷下各镜面的刚体位移,在Matlab软件环境下利用Code V的API函数对变形后的光学系统进行了光线追迹,求解了镜面刚体位移导致的谱线位置变化,研究了成像光谱仪的谱线漂移特性,得到了温度载荷作用下的谱线漂移模型;通过热光学试验对理论模型进行了验证和修正。结果表明,在8℃～28℃范围内,谱线在光谱方向仅发生整体平移,没拉伸或压缩效应;基于线弹性理论和线性光学模型建立的理论模型与试验结果吻合较好,最大偏差不超过12%,修正后的谱线漂移模型相对误差小于5%,绝对精度优于0.2pixel。     

光刻物镜中透镜高精度支撑结构的设计及分析

光刻投影物镜中透镜的面形精度是影响光学系统成像质量的关键因素之一。为实现透镜面形精度均方根(RMS)值优于2nm的高精度指标,提出一种轴向多点挠性支撑、径向三点可调式定位的光学透镜支撑结构。基于自重变形对支撑结构进行优化设计,深入分析在此支撑结构下自重和热载荷对透镜面形影响。结果表明,重力引起的透镜上表面面形RMS值为0.186nm,下表面面形RMS值为0.15nm。热载荷引起的上表面面形RMS值为0.55nm,下表面面形RMS值为0.54nm。采用这种透镜的支撑结构,能够满足光刻投影物镜中透镜的高精度面形要求。     

光学镜面多点支承技术初步研究

从弹性力学理论出发,分析了弹性板状材料的小挠度弯曲问题。基于弹性力学的基本假设和分析步骤,利用差分法对光学镜面在自重情况下的弯曲变形进行了详细分析,建立了简支条件下的弯曲分析模型。针对各向同性圆形光学镜面做了具体的模拟计算,对圆形镜面的多点支承问题进行了初步研究。     

1.5m级大口径标准镜面支撑系统的研究

现阶段科研检测仪器对光学镜面的面形精度要求越来越高.光学镜面的口径越大,自重导致的变形问题越严重.为了保证大口径标准镜在法线水平状态下的面形精度,提出了侧面钢带支撑和杠杆平衡重锤卸荷的组合支撑结构,与传统使用的钢带支撑、水银带支撑方式作了比较,并通过ansys有限元分析软件建立的模型对几种不同侧支撑方法进行了分析比较,...     

光电经纬仪主镜面形变化的有限元分析

为了从整体上了解装配支撑系统后主镜面形变化情况,采用有限元分析方法对某光电经纬仪主镜系统结构进行了分析.在不同倾角下分析镜面及其支撑系统的自重变形,得出镜面及其支撑系统在各个俯仰高度上的变形位移.分析结果表明,在各个倾角状态下,主镜在Z方向上位移较大,最大达1.4 μm,造成镜面反射面平移,对反射面焦距有影响;X方向为旋转轴方向,变形较小,为0.01";Y方向为镜面倾斜方向,变形在0.5"左右,造成镜面弯曲.     

大口径光学元件环境热稳定性的有限元分析

 讨论了靶场光学元件在环境热载荷作用下的变形分析理论和数学描述，采用有限元分析软件ANSYS建立了靶场反射镜的模型，用靶场实测环境温度变化作为载荷，计算得到了反射镜在靶场温度变化0.3 ℃时，垂直镜面方向的变形及其在平行于镜面平面内的转角漂移。结果表明：在当前的温控条件下，光学元件在环境热载荷作用下的变形满足稳定性设计要求。并计算了几种环境温度变化下反射镜的变形和转角漂移。初步的结果表明：环境温度变化与反射镜的转角漂移成正比。     

基于变形镜本征模式的空间光学遥感器波前误差校正方法研究

提出采用基于变形镜(DM)本征模式的自适应光学波前误差校正方法校正高分辨率空间光学遥感器的在轨波前误差。该方法利用变形镜各致动器的影响函数得到一组符合导数正交关系的变形镜本征模式,以图像功率谱密度在低频区域的积分和为评价函数,根据本征模式系数与评价函数之间的关系直接求解出各阶模式所需的校正量。利用实测的37单元变形镜的影响函数得到变形镜本征模式,基于该模式对泽尼克像差进行了开环和闭环仿真校正,定量分析了相位偏置和图像频率范围对算法精度的影响。针对遥感器主镜镜面热变形误差给出了仿真校正结果,分析了图像噪声和不同遥感图像对算法校正精度的影响。仿真结果表明基于变形镜本征模式的自适应光学校正方法可以有效校正波前误差,算法收敛速度快,对图像噪声和内容不敏感,适合用于空间光学遥感器的波前误差校正。     

精密光束偏离装置棱镜组件的光机热分析

以精密光束偏离装置的棱镜组件为有限元模型,进行了光机热集成分析.对棱镜组件的结构强度进行了校核,分析了机械载荷作用下的镜面变形;通过模态分析,给出了装置的动态特性和镜面面形振动幅值的变化情况;最后对棱镜的热弹性变形进行了分析,对棱镜的光学性能进行了评价.结果表明：棱镜组件的最大变形在10 nm量级,最大应力为0.403 MPa,应力和应变相对于结构的准确度要求和材料的许用应力具有较大的裕度;前后棱镜组件的固有频率都大于550 Hz,装置具有良好的动态性能;通过对比棱镜在热-结构耦合分析和机械载荷下的分析结果,说明热效应对棱镜表面变形的影响远远大于机械载荷的影响.装置使用时必须采取严格的温控措施.     

基于Patran和Sinda/Fluint空间光学载荷机热联合仿真方法研究

空间光学载荷在飞行任务期间受复杂热环境的影响,部分关键部件如光学镜体及其内部支撑结构由于温度变化带来的热变形会对载荷整体性能产生重要影响。精确模拟空间外热流作用下的载荷飞行和关键部件在给定温度场下的结构变形,可为其热设计、结构设计提供科学依据和有效支撑。以某空间光学载荷为例,基于Sinda/Fluint和Patran仿真分析软件,通过仿真流程开发,提出了基于同一有限元网格的机热联合仿真方法。经过与现有方法的比较,前者能够实现温度场参数在软件间的无误差传递,能较为准确地得出预示温度下全场热变形结果,保证了空间光学载荷的热变形仿真精度,提高了计算效率。     

空间目标相对运动角参数的天基光学测量精度分析

利用在轨光学相机对空间目标进行跟踪测量,目标相对运动角参数的测量精度决定了空间目标的定轨精度。建立目标相对运动角参数测量计算数学模型,推导出相对运动角参数测量误差传递公式。通过对仿真计算结果的分析,确定出影响目标相对运动角参数测量精度的主要误差源:目标成像焦面坐标提取误差、光学相机视轴转动欧拉角测量误差与测量卫星姿态惯性角测量误差。其中,光学相机视轴转动欧拉角测量误差对相对运动角参数的测量误差影响最大,约占总误差的80%。观测条件对测量精度也有很大的影响,尤其在目标过顶时,相对运动角参数的测量误差显著增大。     

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

为了分析激光辐照下反射镜热变形对光束质量的影响, 本文建立了激光光束45°角入射时镀铬介质高吸收镜的热固耦合模型, 对不同辐照光束下反射镜的热变形和镜体厚度对热变形的影响进行了分析, 并用哈特曼波前传感器对自由边界条件下的镜面热变形进行了检测。结果表明:吸收功率在0.085~0.185 W时, 镜面热变形随吸收功率的增加近似线性增加, 随辐照光斑的增加而减小;反射镜厚度在1~5 mm范围, 镜面热变形基本不变。在激光照射的初始阶段, 反射镜表面温度和热变形迅速增加, 在激光连续照射20 s后, 镜面温度增加量逐步变缓, 镜面热变形则在1 s以内就上升至0.27 μm, 之后变形量缓慢增加, 在100 s后达到相对稳定状态;关闭激光后, 镜面在120 s后恢复到初始状态。分析表明, 产生误差的因素主要为光斑大小和辐照光束入射角度。     

轻质碳化硅反射镜抛光过程镜面变形影响的研究

轻量化的碳化硅反射镜有自己独特的结构特点,加工中的变形与传统实体反射镜不同,对加工后的面形结果有独特的影响。对一直径为318mm的轻量化碳化硅反射镜进行了传统的研磨抛光,由于镜面变形对抛光结果带来了很大的影响,其面形误差的RMS值在0.048λ(λ=0.6328μma)左右就不再收敛。对抛光状态的镜体进行了有限元分析,探讨了减轻镜面变形对抛光结果影响的方法。采用计算机控制小磨头对该反射镜进行了确定性抛光,有效地降低了镜面形变的影响,使面形满足了精度的要求。     

有限元在大口径镜面研制中的应用

大口径光学反射镜镜面受自重影响变形较大,研究它在磨制和检测中的支撑结构和形式是非常重要的。采用有限元软件从理论上分析了Φ1330mm平面反射镜和Φ616mm非球面轻量化碳化硅主镜在磨制和检测中的支撑结构和形式,以使反射镜面形变形最小,保证其光学成像质量达到一定的技术要求。通过实际测量Φ616mm非球面碳化硅主镜在不同支撑状态下的面形变化情况,验证了理论分析结果。根据实际效果值用有限元进一步优化组合了最佳的支撑结构和形式,为今后对更大口径反射镜面的磨制和检测提供了指导。     

主动光学技术在制造标准大反射镜中的应用

介绍了利用主动光学技术校正大型标准反射镜残余面形误差和重力变形的方法 ,研制了用于施加局部作用力的工具———机械式作动器的结构与性能 ,作用力的测定方法 ;位于不同位置的作用力引起的镜面变形量的测定与分析 ,与镜面最小面形误差对应的作动器作用力控制矩阵的求解等。对一块Φ2 30mm、中心厚 18mm、R880mm、玻璃材料为K 9的标准球面镜进行了面形误差校正实验 ,取得了较明显的校正效果。     

球面反射镜镜面热变形的数值分析

对热环境下球面反射镜的镜面热变形进行了数值模拟分析,应用光机热(TSO)集成分析方法,在对光机结构进行有限元分析的基础上,以Zernike多项式为接口工具拟合镜面变形,评估了环境载荷对光机系统光学性能的影响,最后还分析了硅橡胶层对光机系统结构应变能的吸收效用。     

Ritchey角精度对平面镜检测的影响的分析与验证

为进一步提高Ritchey-Common法的检测精度,分析了实验中Ritchey角精度对整体检测结果的影响。通过仿真模拟,分析并确定出最佳Ritchey角测试范围在20°～50°之间,此时面形误差检测结果精度可达0.01λ(λ=0.6328μm)。仿真过程中模拟Ritchey角存在误差时对检测结果的影响,当Ritchey角误差控制在±1°时,拟合结果与原始面形的残差降至0.0007λ,能够满足测试要求。针对Ritchey角测量存在误差的问题,利用测得系统光瞳面的图像压缩比例来计算Ritchey角大小,此方法的计算误差可控制在0.2°以内。实验中选择3个角度来检测,在数据处理时将测得数据两两组合进行解算。29.6°&47.8°组合拟合结果与Zygo干涉仪直接检测结果的残差的峰谷(PV)值为0.068λ、均方根(RMS)值为0.0105λ,证明Ritchey角的选择及其计算精度对检测整体精度具有一定影响。     

一种光学仪器镜面面形的处理方法

光学镜面表面变形包含刚体位移和表面畸变,其中表面畸变是影响成像质量的主要因素,因此需去除刚体位移,分析表面畸变。通过坐标变换生成一个新的理论镜面,用该镜面拟合变形镜面,用拟合镜面与变形镜面轴向差值计算出表面畸变的RMS值及PV值。实例计算表明该算法拟合精度较高,适用于抛物面、球面镜在支撑和装夹下的镜面面形精度分析。     

大型光学镜面的多点支撑方案分析

在大型光学系统中使用薄型镜面以减轻大口径光学镜面的重量，但由于薄镜面在重力作用下形变严重，需要选择适当的支撑方式来维持光学镜面的面形。通过对支撑方式的分析，采用有限元仿真，讨论了支撑点分布方式、支撑分布位置和支撑点数三方面对镜面形变的影响，从而得出支撑点均匀分布优于非均匀分布；支撑点数一定时，镜面形变主要由支撑点位置决定；10个支撑点以上镜面形变相对较小，继续增加支撑点并不能使镜面最大形变得到显著改善同时会引起镜面波纹起伏增加。     

扭转角测量系统中焦距误差分析

针对莫尔条纹测量扭转变形方案，分析了双光栅在光学系统存在焦距误差时对扭转角测量精度的影响。通过在传统的莫尔条纹测量扭转角理论公式的基础上引入焦距对于光栅像的缩放效应，推导出含有焦距因子的扭转角测量模型。由模型可知,随着光学系统焦距差异的增大，对应的扭转角也会随之发生较大变化。特别当光栅夹角在小角度范围（1°～3°）内变化时尤为明显，最终影响到扭转变形的测量精度。在设计的实验中，利用2个已知焦距的光学系统，通过采集莫尔条纹图像进行扭转角精度分析，验证了该文提出的理论。     

塔式太阳能发电系统镜场跟踪角分析

塔式太阳能聚光热发电系统是大规模太阳能热发电系统中极具吸引力的一种方式,具有许多优越的性能是线聚焦系统所没有的,塔式系统的关键技术之一是定日镜的跟踪控制。本文首先利用矢量法,推导出基于镜场坐标的跟踪角,入射角算法,以方便系统如镜场余弦系数,阴影与遮挡系数等光学效率的分析,然后对镜场中定日镜的跟踪角的变化趋势及速度进行分析,进一步可方便跟踪控制策略的定制以及机械结构的设计,最后针对定日镜跟踪控制器的经纬度设置误差,对镜场的定日镜跟踪角误差进行了统计分析,以利于跟踪控制区域的确定。