共轴三反光学系统卧式装调技术

共轴三反光学系统是空间光学遥感器常用的设计形式，以“高分一号”遥感卫星高分辨率相机装调为例，对共轴三反系统计算机辅助装调技术进行了研究。提出以主镜光轴为装调基准，通过调整三镜控制系统视场和调整次镜控制系统像差的装调方法，分析了次镜和三镜的失调量与Zernike系数变化关系，由光学设计软件求得系统灵敏度矩阵，用于指导系统装调工作，提高了装调精度，缩短了装调周期。测试结果表明:光学系统各视场Zernike系数优于0.05λ，系统波相差RMS值优于0.06λ，系统通过在轨成像测试，图像清晰，层次丰富。     

两镜反射系统自适应装调技术研究北大核心CSCD

为了满足两镜反射系统对光学元件高精度的装调、定位要求,以及系统工程化应用对可靠性与装调效率的要求,提出了一种基于人工神经网络(ANN)的自适应装调技术。基于矢量波像差理论分析两镜系统波像差与失调量的映射关系,在Keras框架下搭建ANN,并以非解析思路构建了自适应装调模型,开发了自适应装调装置,使失调次镜的平移调校精度优于2μm,倾斜调校精度优于2″,解决了算法设计与精度优化、反射镜组微应力固联等技术难题,并对某双抛无焦系统完成了自适应装调验证。试验结果表明:运用该装调技术,两镜反射系统装调后波像差优于λ/16、装调周期大幅缩短、装配可靠性通过环境试验考核,为该技术的工程化应用打下了基础。     

基于像差特征分析的变焦光学系统装调

提出了一种基于像差特征分析的变焦系统共轴性装调方法。针对某型20倍变焦光学系统的装调，在分析变焦光学系统装调要求的基础上，通过采用光学定心加工技术，提高变焦系统各镜组内光学元件的同轴度；采用Zygo干涉仪，检测变焦系统在长短焦位置的像差特性分布；借助CodeV软件仿真计算各光学元件在系统中的公差灵敏度分布，并确定产生像差影响的敏感光学元件；在中心偏测量仪上，完成最终光学系统像质的调整。此外，还设计了一种变焦光学系统各动组间同轴度调试装置，对变焦相机主镜筒机械内孔轴线与直线导轨的平行性进行了精确测量，保证了动组组元光轴的同轴精度。装调结果表明:变焦系统成像质量有明显改善，像面一致性得到保证，长短焦轴上传递函数值分别优于技术要求值0.45和0.55，长短焦轴外0.7视场传递函数值优于0.25和0.35，实现了高精度装调，验证了该方法的可靠性。     

二次成形式Coude光学系统的设计、检测与装调

介绍了一台口径为1.23m光电望远镜的Coude光学系统,通过比较国内外地基大口径望远镜Coude光学系统的形式,结合实际情况,设计了以离轴非球面反射镜作为二次成像元件的Coude光学系统,并给出了相应的检测和装调的方法.经实际检测和装调对准后,对Coude光学系统的设计、检测和装调对准过程中的误差进行了分析和比较,证明了检测与装调方法的可靠性和先进性.该Coude光学系统的焦距为125m,视场为1.5′,波段为0.4~5μm,系统波像差优于λ/50(λ=0.632 8μm),实验室内检测波像差为λ/20.装调对准完成后对恒星观测,用Shack-Hartmann波前探测器测量其波前误差,得到整个望远镜Coude光学系统的波像差优于λ/4.     

用于折反式红外光学系统的辅助装调镜设计

针对大口径折反射红外光学系统设计过程中正主、次镜的像差为单独校正,无法实现高精度调试的问题,提出设计一套可见光波段辅助装调镜的方法,辅助镜用于补偿主次镜之间的像差,完成高精度装调。辅助透镜研制过程中,严格控制加工精度,减少对系统精度的影响。采用ZYGO干涉仪对系统进行了调试,波像差实际值为0.3,设计值0.14。最后,更换中继透镜组,光学系统成像质量达到红外搜索跟踪系统的要求。     

利用离轴三反镜光学系统确定各镜的装调公差

利用条纹泽尼克系数与赛德尔像差的关系,在三反镜光学系统的出瞳面上,用条纹泽尼克系数来表示系统的波像差。通过光学设计软件Zemax计算得到三反镜光学系统各镜的装调公差,以公差要求高的镜面作为装调基面,从而减少要调整的自由度。通过分析泽尼克(Zernike)系数在公差范围内的变化幅度来确定光学系统在出瞳面上各个像差的变化幅度,用该幅度的变化量来决定主次三镜各自由度在各个方向上的敏感度,最终确定各个自由度的优化调整级别。对一大口径无遮拦离轴三反镜光学系统进行了装调,在波长λ=632.8nm的条件下进行了检测。结果表明:整个光学系统全视场波前误差的均方根值RMS=0.108λ。     

离轴反射式平行光管设计及次镜检验方案研究

平行光管是光学实验室常用的光学精密仪器,通过光源照射靶标模拟无穷远目标,是光学系统装调、测试必需的设备。设计了一个有效口径为200 mm、焦距为5 000 mm的平行光管,采用离轴两反射式系统结构,视场角为0.35°,主次镜都为非球面,次镜为凸双曲面,系统中心视场波像差设计值达到1/62 λ,边缘视场波像差设计值达到1/21 λ。对该平行光管次镜检验方案进行了研究,提出了一种简单可靠的凸双曲面次镜正面检验方案。     

Ф750mm口径望远镜光学系统的检测(英文)

为了探测更高轨道的空间目标,研制了一台通光口径为Ф750mm的望远镜.该望远镜为主焦点光学系统,由一片二次非球面反射元件和四片透射元件组成,具有大视场(4°),大相对孔径(1∶1.32)和宽光谱(500～800nm)的特点.本文以该望远镜的研制为基础,介绍了其光学系统各个元件的单独检测和系统装调完成后的整体检测方法和过程.采用样板法对系统中的球面透射元件进行了单独检测,采用透射无像差补偿器法对二次非球面反射镜进行了单独检测,采用反射无像差补偿器法对组合起来的透射校正镜组进行了检测,并且对系统装调对准之后的光学系统进行室内平行光管和室外对星观测两种方法进行检测.测量结果均满足设计要求,其中球面透镜的面形误差小于0.1个光圈,反射元件和透射元件非球面表面的面形误差均优于λ/30(λ=632.8nm),透射校正镜组的波像差优于λ/30(λ=632.8nm).光学系统整体检测结果表明,室内和室外检测结果一致,其像面的80%能量集中度直径在4°的全视场范围内均小于2个像元,达到了设计的成像要求.     

Optical Measurement of φ750 mm Telescope System

为了探测更高轨道的空间目标,研制了一台通光口径为φ750 mm的望远镜.该望远镜为主焦点光学系统,由一片二次非球面反射元件和四片透射元件组成,具有大视场(4°),大相对孔径(1∶1.32)和宽光谱(500～800 nm)的特点.本文以该望远镜的研制为基础,介绍了其光学系统各个元件的单独检测和系统装调完成后的整体检测方法和过程.采用样板法对系统中的球面透射元件进行了单独检测,采用透射无像差补偿器法对二次非球面反射镜进行了单独检测,采用反射无像差补偿器法对组合起来的透射校正镜组进行了检测,并且对系统装调对准之后的光学系统进行室内平行光管和室外对星观测两种方法进行检测,测量结果均满足设计要求,其中球面透镜的面形误差小于0.1个光圈,反射元件和透射元件非球面表面的面形误差均优于λ/30(λ=632.8 nm),透射校正镜组的波像差优于λ/30(λ=632.8nm).光学系统整体检测结果表明,室内和室外检测结果一致,其像面的80％能量集中度直径在4°的全视场范围内均小于2个像元,达到了设计的成像要求.     

大口径离轴凸非球面系统拼接检验技术

针对大口径离轴凸非球面面形检测的困难,本文将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接干涉技术相结合,提出了凸非球面系统拼接检测方法。对该方法的基本原理和具体实现过程进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型。当离轴三反光学系统的主镜和三镜加工完成以后,对整个系统进行装调和测试,并依次测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值可以求解得到大口径非球面全口径的面形信息,从而为非球面后续加工和系统的装调提供了依据和保障。结合工程实例,对一口径为287 mm×115 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,经过两个周期的加工和测试,其面形分布的RMS值接近1/30λ(λ=632.8 nm)。     

地平式离轴扩束光学系统装调技术

为实现地平式离轴扩束光学系统的高精度装调,利用4D干涉仪加装平面镜头配合标准平面镜实现自准直检测,并针对实际使用过程中镜筒需要绕俯仰轴旋转的问题,提出一种动态检测方法。根据实际装调结果,建立空间直角坐标系,利用旋转过程中光斑最大偏离量计算二轴正交误差。装调结果表明,采用自准直检测及动态检测方法,主镜面形精度为0.028 8λ@632.8 nm,系统波像差RMS为0.131λ@632.8 nm,二轴正交误差为2.06″。     

大倍率离轴无焦四反光学系统设计

空间引力波探测任务采用的是外差法激光干涉测量技术,其对系统的噪声和精度要求极为苛刻。望远镜是引力波探测天文台的重要组成部分,起到激光信号收发的作用,其光学系统应具备大倍率、高像质、杂光抑制能力强,波前误差一致性好的特点。针对上述要求,对大倍率离轴四反无焦光学系统进行了设计和优化。基于初级像差理论阐述了初始结构的求解方法。系统具有中间像面和可用的实出瞳,便于杂光抑制和与后端科学干涉仪的承接。优化过程中,建立了波前一致性优化函数,通过优化设计,系统入瞳直径为200 mm,放大倍率为40倍,科学视场为±8μrad,波前误差RMS值优于0.005λ,PV值优于0.023λ(λ=1064 nm),波前一致性残差RMS值优于0.0008λ(λ=1064 nm),在捕获视场±200μrad内的成像质量均接近衍射极限,并对系统公差进行了分析,满足引力波探测的应用需求。     

近红外微弱光信号检测镜头的研制

运用ZEMAX设计了一款大孔径、小畸变微弱光信号检测镜头,与高灵敏近红外CCD图像传感器匹配,实现了对微弱单态氧¹O₂信号的实时、快速、高准确度的检测.检测镜头相对孔径1:0.86,半像高为6.3 mm,光谱范围为1 250~1 290 nm,放大倍率为1X,畸变小于0.1%.运用AutoCAD设计光学系统的机械结构,采用双高斯对称式结构以降低成本,手动聚焦、直插式滤片切换机构方便实验的调节,检测镜头研制成功并在实验中采集到较好的微弱单态氧¹O₂信号.     

高精度V棱镜折射仪光机结构设计

针对传统V棱镜折射仪采用光学度盘,目视对准方式无法满足现代光学玻璃生产线以及高精度折射率测量的需求。提出一种新型的高精度基于CCD 机器视觉对准的V棱镜折射仪的总体设计方案,并对准直光管、传动机构、锁紧和微调机构以及轴角编码测角机构等主要组成部分进行了光机结构设计。在考虑空气折射率影响因素的修正公式的基础上,分析了仪器的检测误差。实验结果表明:其折射率检测精度可达 310-6,满足了高精度V棱镜折射仪的技术指标要求。     

热环境下的R-C系统自动光机优化与补偿技术

为了模拟和评估热环境下光机系统的成像质量,已开发出了接口软件,可以将有限元软件热分析的结果拟合成Zernike多项式或以干涉图方式导入光学软件中进行像质分析。但上述接口软件不能满足高低温下光学成像的要求。为了解决以上问题,对R-C系统采用了自动光机优化的方法。首先以Isight为软件平台,将Solidworks,Ansys,Matlab和CodeⅤ集成起来,形成一套软件框架;然后提出不同条件下的优化策略;最后对R-C系统进行光学、材料和结构尺寸的优化。结果表明,在-40～60℃温度范围内获得了优良的像质。     

大口径超长焦距紧凑型光学系统设计

为满足空间遥感光学系统结构紧凑、体积小以及高分辨率的需求,提出了一种长焦距紧凑型光学系统的设计方法。基于高斯光学和初级像差理论,创建了同轴四反射镜系统的初始结构,通过视场偏置的方法避免二次遮拦。对设计的大口径超长焦距同轴偏视场四反射光学系统进行优化,系统口径1 800 mm,有效焦距25 000 mm,全视场角1°×0.1°。设计结果表明,系统设计波像差优于λ/50(λ=632.8 nm),全视场相对畸变小于0.4%,光学筒长仅为有效焦距的1/10,结构简单紧凑,像质接近衍射极限,对大口径超长焦距空间遥感光学系统的设计具有一定的借鉴作用。     

超宽视场离轴光学系统畸变一致性校正技术

为满足海岸带超宽视场和高分辨率的动态监测需求，高分辨率宽覆盖已成为空间光学遥感器的重要发展趋势。HY-1C/D卫星海岸带成像仪采用两台相机组合的方式实现大幅宽，单台相机是32°超宽视场离轴光学系统，相机存在弧形畸变且畸变较大。研究了超大视场离轴光学系统畸变一致性校正技术，提出“多变量仿真-高精密测量-交互迭代”的装调方法，开展了兼顾像质、视轴、畸变的多变量全链路仿真计算，通过高精度畸变测量系统实现了畸变补偿的交互迭代调整，解决了镜头装调阶段畸变不可控的难题，实现双台相机畸变一致性控制精度优于0.1%，完全满足测试技术要求，结果表明方法合理可行。     

非球面透镜在两波长间的补偿检验

在检验光路中,采用补偿透镜来补偿口径为φ500mm的非球面透镜的使用波长(λ=1053nm)与检测波长(λ=632.8nm)之间的色差。给出补偿透镜的求解方法,得到非球面透镜的补偿检验光路,并就非球面透镜的检验精度进行分析。通过精度分析可以看出,在此种补偿检验光路下,非球面透镜的透射波前PV不低于0.2λ(λ=632.8nm),可满足元件的精度要求。     

一种新型微小视频卫星光学系统设计

基于Ritchey-Chretien （R-C）光学系统,采用Zemax软件设计次镜为类曼金反射镜的折反射式光学系统。系统的焦距为3 000 mm,视场角为1,相对孔径为1/8,工作谱段为450 nm~900 nm。结果表明,截止频率为50 lp/mm处的MTF值为0.55,接近衍射极限,畸变小于0.022%。类曼金镜的非球面反射面与主镜构成R-C光学系统,消除了系统的球差和彗差,折射面分担次镜的光焦度,减小了非球面的非球面偏心率。类曼金反射镜的加入,将次镜非球面偏心率的平方由4.356减小到1.940,而且系统总长度由600 mm减小到550 mm。     

某坦克炮长镜光学系统装调技术

为了解决坦克火控炮长视场稳定激光测距瞄准镜光学系统总装过程中稳像系统Z轴精度不高、校靶范围超差、装表范围超差、三轴平行性差的问题,提出炮瞄镜光学系统总装方法,通过采用光学自准直方法,将前置镜、高精度的平面反射镜工装、长焦距平行光管以及零位仪等设备调校建立瞄准轴零位基准,使三轴（瞄准轴、激光发射轴和激光接收轴）平行性的调校达标,并保证装表、校靶等有活动范围要求的光机部件的活动范围偏差合格,实现产品一次交检合格率由原来的60%提高到95%以上,产品的稳定性和可靠性得到提升,从而确保坦克火炮的首发命中率。