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。     

某空间遥感器主镜支撑方案设计与分析

从满足某空间光学遥感器主镜在复杂的工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了长圆形主镜及其支撑结构材料的选择.讨论了主镜的优化设计及其支撑结构的设计方法,并运用CAD/CAE工程分析软件对其进行了分析及优化,应用有限元法优化出了一种合理的主镜柔性支撑结构.     

大工作面F-Theta镜头的光学设计

目前国内用于激光标刻机的F-Theta镜头的工作面积一般不超过φ420mm.国外虽有面积较大的F-Theta镜头,但结构复杂。通过初级像差分析,确定了镜头的初始结构参量,利用光学设计软件优化得到了工作面积为φ680mm的F-Theta镜头,它由四片两种普通玻璃球面透镜构成,光学筒长不到100mm,具有结构简单紧凑,聚焦性能接近衍射极限、线性畸变小的优点,满足大工作面打标的使用要求。     

空间光学遥感器主镜柔性支撑的参数化设计

为提高设计效率提出了一种空间光学遥感器柔性支撑参数化设计方法。分析了温度变化、装配误差两种工况下对柔性支撑形变的需求。并根据折衷规划理论设置柔性支撑的优化函数,以某空间光学遥感器主镜所用柔性支撑为例给出柔性支撑参数化设计的详细设计过程。经过参数化设计,主镜柔性支撑基频达到88.8Hz,温度变化4℃,镜面的均方根(RMS)达到5.3nm,0.1mm装配误差下的镜面RMS达到12.9nm,光轴水平1g重力镜面RMS达到5.0nm。柔性支撑的性能显著提高并且所有设计满足指标。同时设计过程实现了计算机自动化设计,大大减少了人力投入,缩减了设计周期。     

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。     

大口径平背形主镜背部支撑位置优化计算方法

针对背部支撑方式的平背形反射镜,提出了一种确定主镜最佳背部支撑位置的优化计算方法。利用AN-SYS软件中的APDL语言建立了主镜的参数化模型。利用有限元法,以主反射镜光轴垂直时自重作用下的镜面最大变形量为目标函数,以相同工况下一阶自振频率为约束条件,对背部支撑点位置的相关参数和中心镜厚进行了优化分析,得到了满足镜面面型误差要求的最佳背部支撑位置及中心镜厚。     

大口径平背形主镜支撑方式的选择

支撑方式对主镜面形的变化有十分重要的影响。为了使主镜的安装支撑既能保证面形变化最小,又能保证在不同仰角时位置不变动,需要对主镜的支撑方式进行分析和选择。通过对一个口径为600mm、中心孔径为200mm、光学表面曲率半径为2130mm的实体镜在各种支撑情况下的变形大小进行分析,并综合考虑加工、一阶共振频率及工作时的旋转因素后,最终确定了一种满足设计要求的优选支撑方案。     

星敏镜头参数化建模辅助设计

为满足星敏镜头的标准化设计需求,建立了基于参数化建模的星敏镜头辅助设计系统,以缩短产品设计周期及提高镜头设计的工艺质量和可靠性。首先,梳理了光学定心取边工艺的星敏镜头结构设计参数及其相互关系,然后基于光学设计输入对镜片设计进行参数化建模,通过实时计算镜片的设计工艺性指标,辅助设计者合理调整透镜设计,将工艺保障落实到设计的全过程;对镜片结构部分进行基于尺寸链的回转体多段线参数化建模,对镜片组件的镜片安装方式、方位、结构尺寸等进行自动设计和图形呈现,替代了人工重复性的设计操作,通过装配图全局设计与镜片组件设计相结合,并实时反馈镜头重量等信息,辅助设计者合理设计空间布局、评估设计结果,从而快速迭代镜头设计。使用结果表明:9片透镜的星敏镜头的装配图设计用时从原来的约15小时降低到约3小时,极大地提高了设计效率,设计的工艺性和可靠性得到保障。本文设计方案满足星敏镜头的标准化设计需求,并为其他精密仪器的参数化建模提供思路。     

空间遥感相机中心支撑主镜的优化设计

为了设计并加工轻重量、高刚度的用于Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ式空间遥感相机中的主镜，首先根据重量和自然频率的高低优选主镜的背部基体形状。利用有限元法对自重作用下主镜的面型变化进行了分析计算，并对主镜的面型变化进行了Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式数据处理，实验证明分析计算的结果正确合理，同时说明加工工况与相机使用时的装配状态一致的重要性。最后对主镜的背部轮廓形状进行了优化。     

空间光学遥感器主镜加工过程中疲劳寿命研究

针对空间光学遥感器主镜镜面加工过程中,磨盘与主镜间磨削动作往复运行引起的主镜柔性支撑结构疲劳寿命问题,通过建立主镜组件的有限元模型,利用MSC.Fatigue软件按应力-寿命(S-N)法对主镜组件进行了疲劳寿命分析,确定了支撑结构的薄弱部位,并对仿真过程进行了误差分析,讨论了影响仿真结果的各个因素.对比热真空试验和动力学试验前后主镜镜面面型数据,验证了支撑结构加工、设计参量的合理性.通过疲劳寿命仿真分析,可以有效预示光学结构在加工过程中的疲劳情况,为空间光学遥感器结构的设计、加工提供理论依据和参考.     

6 mm~60 mm百万像素变焦安防镜头设计

设计一种可用于监控系统的大口径百万像素变焦距光学成像镜头,采用0.85 cm(1/3英寸)CCD接收,像元大小为3.75 m。镜头在短焦、中焦、长焦的位置时F数分别为1.6、2.1和2.4。变焦系统采用四组元组合形式,与传统的变焦系统相比,该系统采用第4组元作为补偿组。通过高斯法分析与求解得到初始结构,使用Zemax软件对其优化,系统均采用球面透镜进行设计。镜头轴上视场在133 lp/mm处大于0.3,轴外0.7视场在133 lp/mm处大于0.2,系统的最小后截距大于9 mm,满足装配要求。最后采用多点拟合绘制出此系统的变焦凸轮曲线。     

40×大变倍比宽波段连续变焦光学系统设计

为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪,光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦,并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等,并在确定了相关技术参数的基础上,设计了一种变倍比为40^×的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜,易于加工,成像质量较好,各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2,并且凸轮曲线平滑,无拐点,杂散光控制较好,对系统影响很小。最后通过外景试验测试,该系统光轴一致性小于0.1 mrad,系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求,为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。     

减小连续变焦红外热像仪中光轴漂移的方法研究

为减小机械补偿式连续变焦热像仪在变焦过程中的光轴漂移,根据连续变焦原理,对系统初始参数进行反复优化,保证补偿组移动曲线的平滑度,并将变倍组与补偿组的凸轮曲线设计为非线性变化曲线,既保证了焦距变化的均匀性,又减小了因凸轮转动引起的光轴漂移。利用多项式及三角函数拟合出了不同视场角下的光轴漂移曲线,并利用动态软件补偿技术来弥补光轴漂移的系统误差。结果表明,处理后的光轴漂移量可以控制在一个CCD像元尺寸左右,且具有较强的鲁棒性,对同类变焦镜头的设计及使用具有一定的参考价值。     

飞行模拟器目标显示变焦距系统设计

介绍了飞行模拟器的原理及方案。讨论了飞行模拟器中目标显示变焦距成像系统的光学设计方案。探讨了垂轴放大率时的变焦距系统的特性 ,在垂轴放大率时变倍组和补偿组的共轭距均处于极值 ,在此处补偿组进行平滑换根 ,使补偿组位移曲线的上半段与下半段平滑相连 ,可以让补偿组也为整个系统变倍作出贡献 ,使得凸轮导程缩短 ,达到减小系统外形尺寸的目的。利用阻尼最小二乘法拟合出整个变焦过程中系统最佳像面的位置曲线 ,并按此设计凸轮曲线 ,即可保证系统在整个变焦过程中成像质量均处于最佳状态。成功地将上述思路应用于飞行模拟器变焦距成像系统中 ,取得了很好的效果     

ASAP模拟变焦系统中鬼像的研究

 非成像光束在光学系统内表面的多次折射反射容易在像面附近形成光晕或鬼像,变焦系统由于镜片多,机构复杂等往往难以进行全面的分析模拟。利用ASAP软件模拟每个透射面作为部分透射、部分反射的表面,对变焦光学系统非轴上光进行分析,模拟出变焦系统的光学元件表面和光机内壁,实行实际光线追迹,然后以像面为研究对象,进一步实施实际光线追迹,模拟出全部散射光在像面上的能量分布,找出鬼像形成的原因,并在此基础上通过改变二次反射所在面的曲率或改变所在面的折射率两种方法对变焦光学系统进行优化,减小鬼点数目,以提高系统的成像质量。     

超长焦距红外双视场光学系统设计

设计了一种超长焦距中波红外双视场光学系统,该系统采用二次成像结构,通过透镜轴向移动实现变焦功能。设计结果表明,该系统可以实现超长焦距600~150 mm的变焦功能,且中心视场在探测器特征频率20 lp/mm处的光学传递函数值高于0.5,接近衍射极限,能够很好地满足军事侦察对远距离目标同时搜索和瞄准的要求。     

Superiority of zoom lens coupling in designing a novel X-ray image detector

We design a novel X-ray image detector by lens coupling a Gd2O2S:Tb intensifying screen with a high performance low-light-level (L3,which often means luminescence less than 10-3 Lux) image intensifier.Different coupling effects on imaging performance between zoom lens and fix-focus lens are analyzed theoretically.In experiment,for designing a detector of 15-inch visual field,the system coupled by zoom lens is of 12.25-1p/cm resolution,while the one with fix-focus lens is 10 lp/cm.The superiority of zoom lens is validated.It is concluded that zoom lens preserves the image information better than fix-focus lens and improves the imaging system's performance in this design,which is referential to the design of other optical imaging systems.     

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。     

变焦投影物镜光学系统设计

设计了在相同光学引擎、相同屏幕位置下,能满足不同屏幕尺寸需要的变焦投影物镜。该变焦投影物镜的焦距变化范围为22 mm~37 mm,视场角为46°~75°,F数为2.8。考虑设计的光学系统要求相对孔径较大,具有大视场角和小变焦倍比,根据变焦理论,采用正组补偿的机械补偿法,并对变倍组、补偿组进行合理的倍率选段,求出高斯解;然后对各组元分别选用合理的初始结构,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,适当添加非球面。采用二、四组元运动的机械补偿法解决了大视场变焦系统畸变难以控制的问题,并利用调制传递函数综合评价了整个光学系统。设计结果表明:该变焦投影物镜系统的光学结构和成像质量均符合设计指标要求,在空间频率64 Lp·mm-1处调制传递函数(MTF)值均大于0.3,畸变小于1%。     

航空变焦距镜头被动消热设计

为减小温度对航空变焦距镜头成像质量的影响,设计了一种基于差动原理的被动消热结构。通过NXNastran有限元分析软件对变焦镜头在高温和低温两种工况下进行了热分析,利用消热原理及分析数据对变焦镜头4个组件进行了消热设计。对消热设计前、后的变焦镜头进行了消热结构耦合分析,分析结果表明变焦镜头经过消热设计后最大热变形量减小了0.03mm。利用泽尼克系数作为数据接口,将获得的热结构分析结果作为光学分析软件Code V输入,仿真出了消热设计前、后变焦镜头在+55℃时的光学传递函数曲线。和镜头设计传递函数值相比,消热设计前镜头在78lp/mm处传递函数值减小约0.2,传递函数值下降了50%,而消热设计后镜头传递函数值基本保持不变。仿真结果证实了消热设计的有效性。最后通过实验验证了仿真结果的正确性。