基于元胞自动机的气动光学光线追迹算法

对于含激波等大密度脉动结构气动光学流场,沿着直线路径对折射率积分会带来较大的光程误差.因此,数值求解光线方程进行光线追迹是必要的.与数值求解光线方程不同,元胞自动机(cellular automata,CA)通过给定光线位置和方向变换规则来模拟光线在介质中传输路径.本文基于已有的实验测量、数值仿真所获得的高超声速流场密度场数据,分别采用数值求解光线方程法和CA光线追迹算法进行光线追迹,进而得到光线出射流场后的光程差.结果表明, CA算法对于二维气动光学流场中光线追迹的适用性,且较数值求解光线方程方法具有更高的效率.     

热环境中的光传输与光学校正仿真

对折射率不均匀分布的窗口中的光线传输进行了分析,利用光线追迹得到的光程差再现了光波通过窗口后的波前图。通过研究图像获取和处理方法,提出了用相位互异散斑(PDS)技术进行图像补偿和校正由大气扰动造成的波前变形。结果表明,图像的清晰度和对比度得到了提高。     

反射式转镜干涉光谱仪光程差计算

高分辨率反射式转镜干涉光谱仪是一种新型傅里叶变换光谱仪,它利用倾斜旋转镜的转动产生非线性的光程差(OPD).光程差的研究对于干涉光谱仪的性能指标分析、设计和研制具有重要意义.在介绍反射式转镜干涉光谱仪的原理基础上,描述了利用基于马吕斯定律的光线追迹法和基于镜面成像原理的像点法分析其光程差的方法.利用光线追迹法导出了任意...     

空间引力波探测望远镜初步设计与分析

引力波的直接观测已开启引力波天文学的新篇章,爱因斯坦的百年预言终获证实。空间引力波探测器使得探测0.1 m Hz~1 Hz频段丰富的引力波源成为可能,与地面引力波探测器互为补充,才可实现更加宽广波段的引力波探测,揭开宇宙早期的更多秘密。空间激光干涉引力波探测采用外差干涉测量技术,测量间距百万公里的两自由悬浮测试质量间10 pm量级的变化量。望远镜是激光干涉测量系统的重要组成部分,1 pm的光程稳定性及苛刻的杂散光要求,不同于传统的几何成像望远镜。本文根据空间太极计划任务需求,对望远镜的功能及技术要求进行了分析,并完成了原理样机的初步方案设计,针对百万公里远场波前分布,分析了望远镜系统的敏感性,同时完成了在轨光机热集成仿真,为后面原理样机的研制奠定了技术基础。     

面向经济公差应用的波像差拟合研究

利用二阶泰勒形式表示公差与波像差的函数关系，依据差分光线追迹法，通过光线追迹理论推导完善了偏心和倾斜两种公差关于波像差的一阶导数计算公式，利用依次求导和公式移项两种方法建立波像差的二阶导数模型。结果表明：依次求导法的求解过程复杂，应用范围受到限制，只可用于光学后截距分析；公式移项法所需的追迹像质次数少，且拟合效果良好，残差平方和处于10^-7～10^-6量级；所提方法可对光学系统进行有效的经济公差分配。     

任意折射率的三维离散空间光线追迹方法研究

介绍了Runge-Kutta光线追迹方法,并以此作为任意折射率介质中光线追迹基本手段;针对具有折射率任意分布性质并且离散的三维流场空间,建立了流场空间任意点的折射率和折射率梯度计算方法;在追迹过程中,提出了追迹步长根据当地折射率梯度和网格几何尺寸自适应调节的思想和方法,用于提高追迹的精度和效率。结果表明,建立的光线追迹方法适用于三维离散空间折射率任意分布的光线追迹,具有较高的精度和效率。     

液体透镜的透射波前特性研究

液体透镜是一种新型光学元件,通过改变表面曲率而调整光焦度。液体透镜的透射波前质量会影响成像质量,将液体透镜应用于精密光学系统需要探明其透射波前变化特性。通过理论和仿真分析液体透镜通光孔径内不同高度入射光线的光程差随曲率半径的变化,以及光程差对光焦度的敏感性,以此研究光瞳空间内光程差微变的一致性。分别测量液体透镜在零、正、负光焦度下的透射波前,通过分析实验数据验证液体透镜的光程差微变的一致性。实验结果表明:光程差微变的空间最大差异约为0.22λ～0.36λ,空间分布离散程度约为0.01λ～0.02λ,得出液体透镜随电流微变产生的光程差微变一致性较好,为液体透镜在精密光学系统中的应用和像差补偿提供了技术支撑。     

改型Wollaston棱镜的光程差及其特性分析

简述了改型Wollaston棱镜的偏光结构和分光机理;应用波法线追迹法分析了光在棱镜中的传播规律与波矢轨迹;推导出了任意入射面内、以任意角入射时光在棱镜中的传播方向及出射点坐标;给出了改型Wollaston棱镜中o光和e光光程差的理论表达公式;采用计算机模拟,给出了光程差随入射角、入射面与棱镜主截面的夹角、棱镜结构角及波长的变化曲线,并对其变化特性进行了深入的分析. 该研究对偏光棱镜的理论研究具有普遍的指导意义,为偏振分光器件及干涉成像光谱仪的研制和应用提供了重要的理论依据和实践指导. 关键词： 改型Wollaston棱镜 波法线追迹法 光程差     

基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法

根据光学自由曲面数学描述复杂,但面形较为平滑的特点,提出一种新的基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法。通过离散点分割形成子曲面阵列,根据三角形内角和定理确定目标子曲面,对目标子曲面进行切平面迭代完成光线追迹。通过数值仿真,采用所提方法分别对偶次非球面、双圆锥曲面、扩展多项式面和单透镜无像散系统进行光线追迹,并与ZEMAX追迹结果进行比对。结果表明:该方法在离散点采样密度很低的情况下（降低了计算机的内存消耗和运算时间）仍然可以保证光线追迹的精确性,与ZEMAX中光线和自由曲面交点的偏差达到10-3（nm）量级,出射光线角度的偏差达到10-3（）量级。     

基于结构光的光线追迹与波前重建方法

提出一种基于结构光条纹成像的光线追迹和波前重建方法.以结构光条纹相位为信息载体,采用相移技术精确地测量结构光条纹成像过程中相位的变化,实现高分辨的光线追迹,得到点列图.由于光线传播方向与波前垂直,凶此可以实现波前重建.将一个液晶显示器(LCD)置于点光源后,显示正弦灰度调制光栅图样以产生标准条纹光束.条纹光束通过被测光学元件后,发生变形.CCD记录下变形条纹图样,根据相移技术进行处理,计算后完成测量.由于调制光栅图样是由计算机产生的,所以光栅的周期和方向可以灵活设置,并可以实现精确的相移.实验验证了该方法的可行性.     

光机系统集成分析仿真研究

在与传统的光机系统设计方法对比下,构建了光机系统集成分析仿真的基本框架.以望远镜镜面为研究对象,选择Patran,Matlab/Simulink和Zemax作为软件环境,分别建立各自的独立模型,探讨了光机系统集成化分析的实现策略.在简要研究模型创建、模型简化等技术的基础上,编制了结构控制接口工具,实现了光机系统结构和控制的集成分析.在研究动态数据交换(DDE)技术的基础上,探讨了大数目光线追迹问题的解决方案,实现了Matlab和Zemax的动态数据交换和光机系统的光控集成分析,达到了光机系统光机控制集成分析的目的.     

600mm自适应望远镜最佳子孔径数仿真研究

基于自适应光学望远镜的成像特性,分析像斑中心亮度最大以及剩余波前误差最小两种情况下望远镜变形镜的最佳子孔径数范围,利用ZEMAX软件对驱动单元正三角形和矩形布局的变形镜波前校正进行仿真模拟,通过对含高速倾斜镜和不含高速倾斜镜两种情况下望远镜的分析,得到600mm自适应望远镜的最佳子孔径数。     

基于DDE接口技术的计算机辅助装调方法

根据波前拟合和计算机辅助装调的算法原理,基于动态数据交换（DDE）接口技术和泽尼克多项式拟合技术,采用阻尼最小二乘法,运用MATLAB和ZEMAX联合计算实现了计算机辅助装调。利用DDE接口在ZEMAX和MATLAB之间进行通讯,并用MATLAB编写了能够生成各阶泽尼克圆多项式和环多项式的基底矩阵函数的可视化的计算机辅助装调程序,实现了程序的通用性及易用性。使用该程序对大遮拦比光学系统进行模拟装调,验证了程序的正确性。为了确认泽尼克圆多项式在环域上的相关性对计算机辅助装调结果的影响,分别采用泽尼克圆多项式和环多项式进行模拟装调。模拟结果表明：计算机辅助装调使用这两种泽尼克多项式均可行。     

角膜手术后眼模型的构建和人工晶状体设计

根据角膜屈光手术前的角膜地形图、眼内各组分的轴向间距和波前像差,运用ZEMAX光学设计软件,构建了术前的个性化眼模型.结合角膜屈光手术后实际测量的波前像差,建立了术后个性化眼模型.运用该模型,为角膜屈光手术眼设计了双球面人工晶状体.研究表明:对于角膜屈光手术后人眼,用术后个性化眼模型计算的人工晶状体度数可靠.该模型还能够为术后眼设计矫正像散和其他高阶像差的人工晶状体,同时可以用来评估角膜手术联合白内障术后人眼的光学性能,以及手术中各类偏差对视觉质量的影响.     

子孔径拼接技术应用的研究

大口径光学元件的检测开拓了子孔径拼接应用的新领域。采用小口径干涉仪对大口径被测元件不同区域进行波前检测,然后恢复计算出被测波前。使用光学设计软件ZEMAX对子孔径检测拼接技术进行了模拟,模拟结果表明：波前检测相对误差小于4.3λ‰,实现了对大口径光学元件面形的高精度检测,避免了相同口径检测干涉仪的使用,降低了检测成本及难度。     

双通道红外准直投影光学系统设计

介绍了一种双通道准直投影光学系统的设计。重点讨论了光学系统参数的分配以及利用Zemax光学设计软件多重结构功能进行优化的方法, 并利用蒙特卡罗分析对系统的公差进行了分析。光学系统采用望远系统和成像系统组合，在望远系统和成像系统之间的平行光路中插入分束镜引入第2个目标源通道。光学系统工作波段8 μm~12 μm, 视场12°，焦距228.3 mm，入瞳距800 mm，目标通道1和目标通道2的最大角分辨率分别为0.18 mrad和0.17 mrad，满足了投影系统的设计要求。     

ZEMAX与ANSYS动态数据交换的实现及其在光学设计中的应用研究

通过对Zemax动态数据交换技术DDE(Dynamic Data Exchange)通信接口进行研究,实现了ANSYS-中继软件-Zemax的DDE闭环通信,并应用到了望远镜光学系统受环境温度场影响的光学像质评估中,实现了有限元分析和光学像质评价的动态联合。用ANSYS建立有限元模型,分析由温度场引起的光学镜面形变。通过Zernike多项式拟合,将拟合系数通过ANSYS-Zemax的DDE通信链路传递给Zemax进行光学系统的像质分析。反之,像质分析的结果也可以动态地传递给ANSYS,以便进一步指导机械结构的优化设计。此有限元系统-光学系统通信链路的实现可大大提高数据的可靠性和设计效率。     

Impact of telescope seeing on laser adaptive optics

Atmospheric turbulence in the internal light path of a telescope produces noncommon path phase differences that degrade the image quality of adaptive-optics systems employing laser guide stars. The spatial covariance and rms wavefront errors produced by this effect are derived. It is found that the tilt-removed wavefront error ranges from about 12 nm for a representative 30 m telescope to 59 nm for a 100 m telescope of similar optical design. For adaptive-optics systems that aim to derive tip-tilt information from the laser guide stars the error is considerably larger, ranging from 22 nm for the 30 m telescope to 256 nm for the 100 m telescope. This effect can be a significant impediment to the performance of such systems.