热环境下红外镜头面形变化对成像质量的影响

由于红外镜片材料的温度特性,环境温度的变化会对红外镜头的成像质量造成影响。为了研究不同温度场下镜片的应力状态以及镜面面形变化情况,利用光机热集成分析方法,运用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH对设计的红外镜头进行了热结构耦合分析,从分析结果中得到了镜片等效压应力的大小。利用Zernike多项式拟合了变形后的镜面面形,将得到的Zernike系数导入到ZEMAX中建立了多重温度结构,分析了不同温度下镜面变形前与变形后的光学系统离焦量的变化量。结果表明,镜片在低温-40℃时受到较大的等效压应力,最大等效应力81.118MPa,小于材料的断裂强度345MPa;不同温度下由于镜片面形发生变化,导致红外光学系统成像质量以及离焦量发生改变。     

渐进多焦点镜片光学系统MTF评价的仿真分析

针对渐进多焦点镜片的评价问题,提出了利用像质评价参数MTF对渐进多焦点镜片进行客观评价,通过对镜-眼联合光学系统的MTF理论仿真分析来评价渐进多焦点镜片的成像质量。考虑了人眼在实际视物时须有一定的转动角度与实际佩戴镜片的2个特征:镜面角与倾斜角,将装配镜片时的倾斜角与镜面角设定为0～10°;将人眼视物时的转动角度,在戴镜的情况下设定为±20°,表现为视远区、过渡区与视近区;将人眼视物时的清晰成像的较大视场设定为±5°。利用光学设计软件对6只渐近多焦点镜片中的6个典型区域进行分析,结果表明:像散主要由子午光束与弧矢光束没有汇聚在一个点上造成的,而渐进多焦点镜片的焦点呈渐进变化,其表面为非旋转对称的复杂表面,镜片的像散不同,其改变佩戴角度后会对成像质量造成一定影响。佩戴角度中的倾斜角对镜片MTF值的影响比镜面角对镜片MTF值的影响大。实际佩戴角度在不同视场下会对渐进多焦点镜片的成像质量造成一定的影响,利用像质评价参数MTF来评价渐进多焦点镜片时应将其考虑在内。     

结构胶固化收缩对反射镜面形影响的分析与试验

在空间遥感领域,使用胶粘接技术安装光学元件越来越受到光机工程师们的青睐。与机械方法相比,胶粘接方法具有更轻的质量、更低的成本、更容易装配。大部分结构胶在固化期间存在收缩现象,结构胶的收缩会导致内应力出现,内应力又会导致光学表面发生变形,从而影响成像质量。为了在有限元分析中模拟这一过程,提出了等效线胀法的概念。该方法是将结构胶的线收缩率等效成胶的线胀系数,从而将结构胶固化过程的收缩等效成均匀温降导致的冷缩,以便进行热弹性分析。分析结果表明:在采用环带粘接方式时,粘接面积越小,镜面相应位置的面形误差越小,反之越大;粘接位置离镜面越远,镜面相应位置的面形误差越小,反之越大。对分析结果进行了试验验证,结果表明:当胶层质心到镜面距离为20.5mm、胶层宽度分别为15mm、20mm、25mm时,镜面PV值变化量分别为0.64λ、0.92λ、1.10λ;当胶层宽度为15mm、胶层质心到镜面距离分别为15.5mm、20.5mm、25.5mm时,镜面PV值变化量分别为1.08λ、0.64λ、0.40λ;当胶层质心到镜面距离为25.5mm、胶层宽度为25mm、胶层环形分布角分别为40°、60°、80°时,镜面PV值变化量分别为0.38λ、0.52λ、0.88λ。分析和试验结果为实际的工程应用提供了理论指导。     

背部支撑型空间反射镜镶嵌件粘接结构设计

基于不同的边界条件,建立了针对带锥度盲孔的空间相机反射镜组件胶层厚度的计算模型,利用力学模型计算粘接处符合设计要求的胶层厚度范围。通过建立的有限元模型,计算并拟合得到相应的胶层厚度-应力曲线,得出最优的胶层厚度为0.055mm。为了检验粘接结构的面形精度,进行了自重、温升条件下的反射镜组件镜面变化的模拟分析,采用温度载荷法模拟实际固化后胶层收缩对镜面的影响,并进行组件试验。仿真和试验结果表明,胶层厚度在0.055mm时反射镜组件具有足够的抵抗外界温变、振动干扰的能力,满足设计要求。     

大口径镜面的多孔径拼接技术

提出了完成大口径镜面的多孔径拼接技术，即利用实时相位探测技术实现尺寸小，精度高的子孔径镜面之间的位相合成，从而获得性能优越的大口径镜面，然后对多孔径拼接技术原理进行了较为详细的数学描述，并完成了原理性实验，最后获得了实验结果。     

一种新的非球面零朗奇检测法

提出一种新的零朗奇检测法用于测量大口径非球面镜的面形。利用光线追迹和正弦条纹的相位信息设计补偿正弦光栅。使用透射液晶显示屏显示补偿正弦光栅并作为相移装置。一个离轴点光源发出的光被镜面反射后通过补偿正弦光栅,摄像机记录携带镜面偏差信息的相移条纹图。通过对相移条纹图的分析确定被测镜面的实际横向像差以及对应的理想横向像差,然后基于朗奇检测的几何原理得到被测镜面的偏差梯度,对其积分获得被测镜面的偏差,进而重建被测镜面的三维面形。与传统的零朗奇检测法相比,这种方法可以消除补偿光栅上每个条纹带边缘的锯齿形状,而且可以获得镜面上足够多的待测点信息。计算机模拟和初步实验验证了该方法的可行性。     

机械手修正大口径非球面环带误差

在大口径非球面加工中,采用能动磨盘进行加工,加工效率较高,但能动磨盘加工也会存在着些问题,如严重的边缘效应因为磨盘和工件不能完全的吻合,加工后会存在环带误差和局部误差,表现为镜面的误差分布不对称,也就是通常所说的存在着严重的慧差。在能动磨盘加工后,可以采用机械手小工具对工件的环带进行平滑去除镜面局部高点,修正镜面环带误差,使得镜面误差成对称分布,可以更好地利用能动磨盘进行加工。介绍了机械手小工具的结构,通过实际的加工情况建立小工具磨盘的去除函数模型,并进行了仿真计算。通过与实际去除环带的实验对比,理论仿真和实际加工吻合较好,取得了显著的修正效果。     

渐进自由曲面镜片光学性能仿真方法研究

提出了一种渐进自由曲面镜片的光学性能仿真方法,能够在镜片的设计阶段对镜片的光焦度和散光分布进行仿真分析。采用双三次样条曲面拟合法,通过计算自由曲面镜片面型离散点数据局部点云拟合曲面的函数,得到曲面上各点的主曲率,进而得到渐进自由曲面镜片的光焦度和散光分布。结果显示仿真方法得到的镜片光焦度和散光分布图与基于莫尔偏折法原理的FFV软件仿真和实际加工得到镜片的测量结果相类似。     

相干合成中的随机并行梯度下降算法性能研究

随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种基于直接性能指标优化的相位控制方法,在自适应光学中有较好的适用性。该算法主要包含增益系数和随机扰动幅度两个可变参数,其取值对算法收敛性有很大的影响。对双边SPGD算法实现收敛时参数的取值要求进行研究,结合算法原理分析了算法参数的取值范围,并通过大量仿真实验找出所有使双边SPGD算法收敛的增益系数和随机扰动幅度值;得到随机扰动幅度的取值下限,理论和仿真分析了下限存在的原因及取值;在相干合成中存在相位噪声,研究了不同相位校正器参数的情况下可使算法收敛的参数的取值范围。     

大口径干涉仪装置的调整及支承机构

采用蜗轮蜗杆驱动调整机构、使用同步带安装标准镜片方式、正交十字导轨支撑等可有效提高光学精密检测系统中大口径干涉仪装置的镜面面形质量、稳定性和调节准确度，从理论上介绍了蜗轮蜗杆驱动机构等设计原理及其基本公式，并从实验上验证了这些机构对光学精密检测系统稳定性的影响.     

基于波像差函数建立大口径施密特校正板方程

施密特光学系统由施密特校正板和球面反射镜组成,校正板设置在球面反射镜的球心处,系统的焦点不一定和反射镜的焦点重合。为了得到精确的校正板面形初始结构参数,基于波像差函数建立了带有离焦量的大口径施密特校正板的数学模型,同时校正了系统的三级和五级球差。利用光学设计软件对校正板口径为1000mm、主镜的曲率半径为2000mm、F数为1的系统进行了设计和分析,来验证校正板面形数学模型的正确性。结果显示此校正板的数学模型与优化后结果吻合得较好,校正板面形初始结构参数的精度得到了极大的提高,这为大口径、大相对孔径的施密特光学系统的设计提供了理论基础。     

改正镜作为LAMOST真空相机封窗的可行性研究

为提高真空相机光学性能,对现有改正镜作为真空相机封窗进行了可行性研究。通过现有改正镜几何模型,将力学场映射到有限元模型中,计算改正镜在受大气压强差状态下的变形。利用最小二乘法求解Zernike多项式前6项系数和拟合求解改正镜面形方程,分析变形后的改正镜对真空相机像质影响。研究结果表明:相对于原有像质的弥散半径,变形后的改正镜使得真空相机点阵图的弥散半径增大且最大增大41.9%,通过调节CCD焦距从249.554 mm变为249.574 mm,使得CCD点阵图弥散半径相对于原来增大0.301%~1.09%,保持了LAMOST低分辨率光谱仪相机原有的像质要求,说明现有改正镜可直接用于真空相机设计方案。     

易测量非球面定义及应用

本文提出了一种新型、易于用传统光学干涉仪测量的非球面。该非球面的检测主要基于Zemax光学程序软件设计的多重配置特性。第一配置为易于测量非球面,第二配置为采用平行平面玻璃板或单透镜作为零位校正器,用于检测第一配置的非球面。本文通过一些实例,说明了易测量非球面检测技术的应用和优势,证实了与圆锥或普通非球面相比,易测量非球面更易于操作与检测,同时有利于减小光学像差。     

基于分区域耦合的随机并行梯度下降自适应光学

基于随机并行梯度下降(SPGD)方法的自适应光学(AO)系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿光束中存在的波前畸变。为了提高这种无模型优化自适应光学系统的收敛速度, 提出了基于分区域耦合的新方法以改进传统随机并行梯度下降自适应光学系统的工作方式。将波前校正器光学孔径分成多块子区域, 每块子区域对应着的所有驱动器作为一个整体控制单元, 从形式上可以得到一个空间分辨率较低的分区域波前校正器。该校正器与原校正器同步工作, 并采用随机并行梯度下降算法对同一个性能评价函数进行优化, 从而构成了双校正器的耦合工作结构。对256单元分立活塞式波前校正器建立了自适应成像系统的数值模型, 结果表明这种分区域耦合的随机并行梯度下降自适应光学系统比传统随机并行梯度下降自适应光学系统具有更快的收敛速度和更好的渐近态。     

无光焦度3贴合薄透镜组初始结构参数求解方法探讨

3透镜无光焦度校正板由3个单透镜组成,可以用来校正光学系统中其他光学元件引入的像差.本文运用三级像差理论分析了3透镜无光焦度校正板的像差特性,给出了一种求解3透镜无光焦度校正板参数的计算方法,得出了相应的计算公式,并通过具体的计算实例验证了这些公式的正确性.     

The study of correction for chromatic aberrations of human eye with diffractive–refractive hybrid elements

A chromatic corrector with two refractive–diffractive hybrid elements is designed over a reasonable wide field-of-view of 7° to correct the chromatic aberrations of human eye. We investigate the performance of the corrector using several optical criteria in a comparison with the chromatic corrector with single refractive–diffractive element. Both the correctors can correct the longitudinal chromatic aberration (LCA) fairly. It is demonstrated that the chromatic corrector with single element introduces serious eccentric transverse chromatic aberration (TCA), which deteriorates the image quality at the edge field-of-view. On using the chromatic corrector with two refractive–diffractive elements, not only the LCA but also the TCA can be corrected very well. The designed chromatic corrector can be used to improve the retinal image quality and has potential application in the design of visual instruments.     

应用折-衍射元件校正人眼色差

提出了采用两个折射-衍射元件对人眼系统在14°范围内进行色差校正的光学系统设计方法。基于系统光学性能的评价与单片折射-衍射元件色差校正系统的对比验证了本文提出的色差校正系统的性能。结果表明：两种色差校正系统都可以很好地校正人眼的轴向色差。但是,单片折射一衍射色差校正系统引入了横向色差,其由校正前的14．51μm增加到81．4μm,严重影响了边缘视场处的成像质量。而采用双片折射一衍射元件的色差校正系统可同时对轴向色差和横向色差进行校正,使横向色差降为1．64μm。设计的色差校正系统可有效提高视网膜的成像质量,并可用于视觉仪器。     

无光焦度校正器和单一反射镜组成的光学系统

从三级像差理论出发分析了由两透镜无光焦度校正器和单一反射镜组成的光学系统，讨论两透镜无光焦度校正器放置在单一反射镜前和后组成的光学系统的各种消像差条件。并给出求解两透镜无光焦度校正器参量的计算公式。     

双贴合无光焦度校正板在双球面镜次镜后的系统的像差特性研究

讨论了双贴合无光焦度校正板放在次镜后的双反射球面系统.根据像差理论分析了消像差的条件，研究了主镜的相对孔径变化、校正板在次镜后的位置变化以及无光焦度校正板的正负透镜的不同组合形式对系统高级残余像差的影响.结果表明：当主镜的相对孔径增加或校正板靠近次镜时，系统的残余像差增加；无论校正板的第一个透镜是正透镜还是负透镜，系统在某一光焦度处残余像差最小，并且靠近次镜的透镜最好采用负透镜.     

CSRm束流累积阶段闭轨校正系统设计

为测量兰州重离子加速器冷却储存环主环(CSRm)束流累积阶段的闭轨畸变并进行闭轨校正,开发了闭轨校正系统,该系统由轨道测量系统、闭轨控制系统和校正磁铁系统构成。轨道测量系统实现对束流轨道的实时监测;闭轨控制系统读取束流轨道信息,然后进行闭轨校正计算,并将计算后的校正值传输给校正磁铁系统;校正磁铁系统通过改变校正电源的值,改变校正磁铁的强度,实现对束流轨道的调整,完成闭轨校正。模拟测试结果表明,束流轨道水平方向的最大畸变由校正前的3.37 mm减小为校正后的0.39 mm,垂直方向的最大畸变由校正前的4.21 mm减小为校正后的0.31 mm。该系统能够实现响应矩阵的自动测量和束流轨道的自动校正,满足设计要求。