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。     

卡塞格林系统光学装调技术研究

介绍卡塞格林系统非球面主镜使用三坐标测量仪进行定心装调的方案。系统的主镜口径为300 mm,需要使用结构胶进行胶结固定,选用微应力粘接方法,将胶层粘接应力与热应力变形控制在极小的范围内。利用ZYGO干涉仪获得光学系统的波前信息,将测得的波相差转化为初级像差,根据光学系统失调量与像差的关系对卡塞格林系统进行计算机辅助装调。调试后,系统的RMS值达到0.10,分辨率达到1以内,检测结果表明:该系统的成像质量接近理论衍射分辨率,该方案可以实现快速定心,并且能够满足计算机辅助装调对定心精度的要求。     

Φ1.3m望远镜的装调

针对Ф1.3m口径同轴四反望远镜镜头,提出了一种有效的装调方法。主镜口径为1.3m,采用背部双脚架(bipod)支撑形式。使用激光跟踪仪多边测量法对支撑结构精密定位,利用Stewart机构位置反解方法进行主镜位姿的调整;通过变换反射镜组件方位进行面形测量,提取重力作用造成的反射镜面形误差;利用Offner零位补偿检测光路进行基于干涉测量的反射镜定心,实现反射镜光学基准与镜头基准的传递;进行镜头的光轴竖直装调,采用测试镜头像高和在线标定标准镜面形的技术手段来提高装调精度与收敛速度。镜头的中心视场波前和边缘视场波前rms分别为0.053λ(λ=0.6328μm)和0.077λ。     

主三镜一体化离轴三反光学天线设计

为提高空间激光通信离轴三反光学天线的装调效率,需要对反射镜总的装调自由度进行优化设计。基于共轴三反无焦系统的设计原理,提出一种主三镜一体化的设计方法,并推导了光学系统结构参数之间的关系,利用Zemax光学软件设计了一种结构紧凑、主三镜一体化的离轴三反光学天线。设计结果表明:全视场光学像质优于衍射极限,主镜和三镜空间位置相接近,可共母板加工和面形共基准检测,为主三镜的一体化加工提供了方法。光学天线的装调自由度减少了6个,降低了装调难度,提高了装调效率。     

一种双曲面光学系统中次镜装调设计与实现北大核心CSCD

R-C(Ritchey-Chretien)光学系统作为两镜反射式光学系统,是双曲面光学系统的典型结构形式,在现代光学工程中具有重要的应用。以缩短高精度系统装调周期和指导高精度系统批量生产为目的,用某一机载星敏感器所应用的R-C光学系统为例,在确定以主镜为装调基准的前提下,针对直径较小的次镜,设计了一种次镜装调机构,实现次镜6个自由度调整,并对装调、固化过程中涉及的方法进行了说明。通过对装调前后以及环境试验后的系统像质进行测试,验证了设计机构的稳定性。测试结果表明:该次镜装调机构能够满足系统像质要求,整机波像差PV值优于(1/2)λ,RMS值优于(1/15)λ,装调方法达到可指导高精度系统批量生产的目的。     

椭球面反射镜的光轴引出方法

椭球面镜作为反射式镜头主镜的常用类型,准确、便利地引出其光轴,在镜头装调过程中是必不可少的。传统的光轴引出方法主要依靠三坐标仪进行测量,由于其角度拟合精度低、接触式测量和尺寸限制等缺陷,已经无法满足现下的大口径光学镜头装调需求,为此,提出一种新型椭球面主镜光轴引出方法,该方法通过设计一个平面球差补偿器,搭建出椭球面镜的无相差面型检测光路,将椭球面镜的光轴转换为补偿器的法线,再使用经纬仪测量法线与结构基准间的角度关系,间接地引出主镜光轴,光轴引出精度可达1.4″。相较于传统的光轴引出方法,该方法具有更高的角度测量精度、非接触、无尺寸限制等优点,适用范围更广。     

离轴三镜系统计算机辅助装调方法研究

针对离轴三镜系统光学元件各调整变量之间的关系,提出了一种求解失调量的方法。从分析调整变量之间的关系入手,采用求条件数的方法来判断变量之间的相关程度,去除相关的变量,从而确定出系统的待调整量。计算机模拟表明,只需进行一次迭代求解出的系统待调整量即可满足装调精度要求,调整后整个系统波像差的均方根值(RMS)与理想状态之差小于0.02λ。这种方法是用所确定的调整变量的变化补偿其它相关变量的失调,不仅结果准确、收敛速度快,而且需要调整的自由变量少,大大缩短了装调周期。     

离轴二镜平行光管的光学设计

介绍了大口径长焦距离轴二镜平行光管的设计过程,给出了系统初始结构的求解方程,并分析了主次镜同轴设计方法的缺陷.为提高系统像质,提出了在主次镜同轴方法的基础上对次镜绕主镜焦点旋转的离轴化方法.以一个离轴二镜平行光管作为设计实例,计算了次镜离轴对系统像质的影响,通过次镜的离轴优化,得到了成像质量良好的光学系统设计结果.     

卡塞格林系统装调过程中高精度测角方法

为了能够准确测量同轴三反相机中次镜的倾斜量变化,提出一种新的角度测量方法,即用大口径干涉仪与经纬仪相结合进行测量。以主镜为测量基准,两镜相对倾角较小时,使用大口径干涉仪同时测量两镜的干涉条纹,相对倾斜角度过大时次镜无干涉条纹,加入一台经纬仪分别自准直于干涉仪和次镜,间接测量两镜相对夹角。通过模拟计算与实验验证表明,对于次镜组件倾角测量误差可以控制在0.5″以内。结果表明,该检测方法具有通用性强,测量精度高等特点,克服了传统检测方法测量精度不足的问题。     

离轴非球面反射镜补偿检验的计算机辅助装调技术研究

利用零补偿器实施离轴非球面元件面形的干涉检测中,为了实现反射镜的高准确度检测,对其干涉结果中的误差信息进行了分析.根据零补偿器的补偿原理,提出一种新的调整误差分离方法,建立了离轴非球面补偿检验的调整误差分离模型,并利用该模型对一块离轴非球面反射镜进行了仿真实验.调整前由调整误差引入的波像差为0.2332λRMS(λ=632.8nm),根据仿真结果调整后的波像差为0.0026λRMS,表明该方法具有较高的准确度,可有效提高检测效率.     

大口径薄膜衍射主镜面形误差仿真分析

以理想坐标面为参考面,建立了大口径薄膜衍射主镜面形误差与波前误差的关系模型.首先建立了子镜面形误差模型;其次根据导出的子镜波前误差与大口径薄膜衍射主镜波前误差关系式,分别讨论了边缘褶皱面形和球面面形两种形变情况下不同区域子镜的形变允许范围;最终通过全体子镜的波前误差反向拟合Zernike多项式,得到了不同形变情况下主镜的低阶像差类型.研究结果可为成像系统的像差校正提供理论依据,对大口径薄膜衍射主镜的夹持装配有参考意义.     

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。     

具有实入瞳的远心离轴三反系统研究与设计

采用远心离轴三反成像系统的空间遥感仪器前有光束限制装置时,要求系统具有实入瞳与之匹配。为了满足这一需要,研究了孔径光阑位于主镜前与系统物方焦平面重合的离轴三反系统的设计问题,推导了主镜和三镜共面时离轴三反系统结构参数计算式及物方焦点与主镜间隔表达式,确定了实现系统物方焦点为实焦点的条件及其解法。据此,针对光谱范围为1.0～2.5μm、F数为4、有效焦距为360mm、视场为5°的设计要求,设计出整个波段全视场像质接近衍射极限的具有实入瞳的远心离轴三反系统,系统非球面最高次数为4次。设计结果表明,这种设计方法可用于实入瞳远心离轴三反成像系统的设计。     

新型离轴反射变焦距光学系统的多视场检测方法

基于对离轴反射变焦距光学系统进行计算机辅助装调研究, 需要检测离轴反射变焦距系统各个视场的波像差, 除零度视场外, 获得包括其他视场的波像差有助于提高计算机辅助装调的准确性, 但是目前已有的波像差检测方法往往只能获得系统零度视场的波像差. 本文针对这个难题提出了一种检测离轴反射变焦距光学系统各个视场波像差的方法, 并应用于离轴三反变焦距光学系统的各视场波像差仿真检测. 该方法在传统自准直干涉法的基础上进行改进, 关键在于采用变形镜代替扫描的平面镜, 并采用夏克-哈特曼波前传感器代替干涉仪, 配合精确标定的激光器光源阵列, 可以实现对离轴三反变焦距光学系统的多视场波像差同时检测. 由理论分析和仿真模拟得出, 该系统在视场(0°, 3°), (0°, 4.2°), (0°, 5.5°), (0°, 7°), (0°, 9.8°), (0°, 14°)处经过变形镜补偿后的剩余波像差的RMS值分别为0.00039λ, 0.00075λ, 0.0024λ, 0.00017λ, 0.00053λ, 0.0057λ, 分析仿真结果表明此检测方案是可行的, 且适用于离轴反射变焦距系统的计算机辅助装调技术的研究.     

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)。     

拼接主镜光学系统展开误差的分析

提高光学系统分辨率的主要方法是增大光学系统的通光口径,而使用子镜拼接得到一块等效大口径主镜是增大通光口径的常用方法。拼接主镜光学系统入轨后子镜进行展开,展开位置与设计位置偏差大小决定光学系统成像质量好坏,因此需要对子镜展开位置的精度进行分析。使用光学软件对拼接主镜光学系统建模,调整子镜6个自由度的位置误差得到其与系统成像质量的关系曲线。结果表明,针对不同位置的子镜,相同位置误差产生的系统波前误差的均方根(RMS)值大小不同,中层子镜对沿着X轴方向的移动敏感,而外层子镜对沿着Y轴方向上的移动敏感。通过对每个子镜单独分配位置误差与每个子镜分配相同的位置误差两种方式对子镜的展开精度进行误差分配,结果表明在产生相同波前误差的情况下,单独对每个子镜位置误差进行定义的精度相对较为宽松。     

引力波望远镜的装调误差对TTL耦合噪声的影响

本文研究了引力波望远镜的装调误差对望远镜的TTL(tilt-to-length,角度抖动与光程读出之间的)耦合噪声的影响。保持其他参量不变,仅对引力波望远镜中的某项装调公差进行赋值,仿真分析引力波望远镜中的某项装调公差对出瞳位置变化的影响,进而计算出激光干涉信号经过全玻璃激光干涉仪最终在四象限光电探测器上进行干涉时,由于引力波望远镜的装调公差的存在导致的TTL耦合噪声的变化情况。通过对比发现,引力波望远镜的主镜与次镜的距离公差,对引力波望远镜的TTL耦合噪声的影响大于其他光学元件之间的距离公差对TTL耦合噪声的影响。主镜和次镜之间的距离公差导致的TTL耦合噪声的变化与次镜和三镜之间的距离公差、三镜和四镜之间的距离公差导致的TTL耦合噪声的变化符号相反;光阑和主镜之间的距离装调公差对TTL耦合噪声的变化影响很小,可以忽略不计。各个光学元件的距离装调公差导致的TTL耦合噪声的变化量与抖动角度之间呈抛物线规律分布。在装调空间引力波望远镜时,应着重控制主镜与次镜之间的距离误差。并且可以使用次镜和三镜之间的距离装调误差、三镜和四镜之间的距离装调误差导致的TTL耦合噪声来抵消由装调主镜和次镜之间的...     

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。     

一种大视场望远镜误差校正方法的研究

基于两镜反射式望远镜系统,以主镜为基准,分析了当非球面次镜由于偏心、倾斜、主次镜间距产生变化时对望远镜系统波前像差的影响。根据理论分析,提出了一种望远镜系统误差校正的方法。该方法先后以轴上视场光斑的半径和全视场光斑的平均半径作为成像质量的评价指标,利用随机并行梯度下降算法对次镜的位置进行调整,最终使全视场光斑半径的平均值收敛到极值,即认为成像质量达到最佳。针对里奇-克列基昂(R-C)结构望远镜系统进行了仿真分析。结果表明,次镜位置调整后能够使视场内所探测的光斑半径的平均值收敛到极值。该方法使望远镜系统误差的校正具有外在标准,能够使望远镜在观测过程中进行校正。     

主焦点式光学系统的光机结构设计与装调检测

针对应用在极轴式望远镜中的主焦点式光学系统,从主镜的支撑设计与分析、主镜的装调检测、校正镜组件的设计装调和系统的装调检测等方面进行了深入的研究.充分应用了有限元法分析主镜的支撑、定心仪检测光轴的同轴度、平行光管检测系统像质等,得出了主焦点式光学系统的一般装调检测方法.装调后的主镜面形检测结果均方根值达到0.042 8λ,校正镜组的光轴同轴误差达到12.4″.对系统的像质评价采用能量集中度法,成像在靶面上的星点80%能力集中度在24 μm×24 μm范围以内,达到设计指标要求,说明系统结构设计合理,装调检测方法可行.该方法和思路可推广至其他主焦点式光学系统的装调检测工作.