大型离轴三反空间相机前框架优化设计与试验

为了保证某离轴三反光学系统空间相机光机结构的高稳定性与高准确度,针对该光学系统中次镜、折叠镜组件轴向空间位置接近的特点,设计了次镜、折叠镜组件一体化的前框架结构,并提出了一种结合了自由模态与约束模态的拓扑优化方法来优化相机的前框架结构.将优化后的前框架模型带入整个相机,并对整机进行有限元分析.结果表明,光轴呈水平状态,次镜、折叠镜相对主镜的倾斜分别为9″与22.4″,次镜相对于主镜的偏心为0.021mm,均在光学系统公差要求范围内.此外,对前框架结构进行自由模态分析与试验,结果验证了优化方法的正确性.所提出的拓扑优化方法可以有效避免基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷,能够为高分辨、宽视场空间相机光机结构的设计提供参考.     

高分辨率空间相机共轴三反光学系统实现形式研究

为了设计出高分辨率空间相机的光学系统,研究了反射式光学系统中存在次镜对主镜的中心遮拦等问题.通过对共轴三反射光学系统结构参数和最终视场在像面上的分布情况的分析,提出了半视场、全视场和环形视场3种光学形式,设计了焦距为3000mm、F数为10的3种形式的共轴三反光学系统.设计结果表明:3种共轴三反光学系统在有效视场角内成像质量均接近衍射极限,可以满足高分辨率空间相机不同的使用要求,指出半视场共轴三反光学系统适合于线阵CCD推扫成像,全视场共轴三反光学系统可用于面阵CCD凝视成像,环形视场共轴三反光学系统可实现一台相机上全色和多光谱成像的要求.     

几何光学 光学系统、成像与分析

TH703 2006031859离轴反射式光学系统设计=Design of reflective off-axissystem[刊,中]/伍和云(安徽建筑工业学院数理系.安徽,合肥(230022)) ,王培纲∥光电工程.—2006 ,33(1) .—34-37提出通过光瞳和视场离轴,实现无中心遮拦的离轴反射式光学系统设计方法。在同轴三反射光学系统基础上,将光瞳和视场适当离轴,实现镜间遮拦的消除。分主镜或次镜为系统孔径光阑两种情况,导出同轴三反射光学系统初始像差公式和初始结构参数计算公式。由三反射系统成像性质,进一步总结无焦光路条件。根据设计理论计算离轴三反射系统初始结构,利用Zemax优化得…     

基于Wassermann-Wolf方程的离轴三反光学系统设计

为了克服传统三反射系统设计中初始结构求解复杂、使用非球面时收敛缓慢的问题,提出了基于Wassermann-Wolf微分方程的离轴三反光学系统设计方法。根据反射定律和正弦条件,推导了一组用于求解同轴三反初始结构的Wassermann-Wolf微分方程。通过多项式拟合Wassermann-Wolf曲面,获得了像质良好的同轴三反初始结构。实现了长焦距(1200mm)、大视场(18°×4°)、大相对孔径(F数为4)的离轴三反光学系统设计。系统各个视场的调制传递函数在50lp/mm处均大于0.5。结果表明,Wassermann-Wolf微分方程设计方法简单有效、收敛快,可以为三反射光学系统提供很好的设计起点。此外,系统的主镜为二次曲面,次镜和三镜为非球面,3个反射镜均无偏心和倾斜,有效降低了制造成本和装调难度。     

一种高分辨力空间相机的光学设计

针对某一种光学设计指标要求的高分辨力空间相机,在计算分析光学系统参数的基础上,利用Zemax光学设计软件设计了同轴三反射镜(TMC)系统,二次成像离轴三反射镜(Cook TMA)系统和一次成像离轴三反射镜(Wetherell TMA)系统3种光学系统,均满足了指标要求。对比分析了三种光学系统的优缺点,在综合考虑光学系统的加工、检测和装调能力以及空间相机技术发展先进性的基础上选定了将Wetherell TMA系统作为最终方案,相机外形尺寸为1600 mm×1230 mm×545 mm,系统焦距为4375 mm,相对孔径为1:9.94,视场角为2°。对该光学系统的性能进行了模拟和验证,计算分析了光学系统的传递函数、像差、畸变等,各项指标性能优异,最后对该系统的光阑和杂光消除进行了分析并对光学系统的公差进行了合理的分配。     

离轴三反光学遥感器遮光罩的设计与试验验证

遮光罩是空间光学遥感器的重要组成部分,是抑制空间光学遥感器杂散光的首要措施。遮光罩削弱杂散光效果的好坏直接影响到光学遥感器光学系统的成像品质。本文设计了一种满足离轴三反空间光学遥感器要求的大尺寸碳纤维/环氧复合材料遮光罩,并结合有限元分析、杂散光分析及力学试验、光学系统传递函数检测手段来验证该遮光罩是否满足航天使用要求。结果显示,各视场光学系统传递函数检测结果基本一致,均在0.2以上。表明该大尺寸遮光罩具备良好的结构的稳定性、可靠性,能够满足空间应用要求。     

失调同轴三反消像散系统消彗差补偿

三阶彗差是同轴三反消像散(TMA)光学系统镜面失调产生的主要像差之一。使用矢量像差理论分析了同轴TMA光学系统失调后彗差变化特性,给出了次镜和三镜像差偏移矢量的求解方法及公式,并推导了系统次镜和三镜失调导致的彗差增量系数公式,证明了三镜在X-Y平面内偏心产生的彗差可以通过一个固定比例的次镜偏心量完全补偿,提出了次镜对偏心三镜的消彗差补偿条件、次镜和三镜各自的X-Y平面偏心无彗差条件。计算了同轴TMA光学系统中三镜失调的两个例子,在消彗差补偿条件下,经过次镜主动偏心补偿,全视场均值彗差增量仅为未失调前的0.6%和1.9%,证明了消彗差补偿条件的正确性。     

大视场空间相机轻型遮光罩的研制

空间相机遮光罩既能遮挡杂光进入相机镜头,又可利用遮光罩长度和遮光罩内的光栅及表面材料特性,吸收已进入遮光罩的杂散光,能够保证相机获得较高的信噪比。具有优良性能指标的碳纤维复合材料应用于空间相机中能够满足空间相机的结构设计指标,并能大大降低相机的重量。针对某空间相机进行了遮光罩的设计,通过利用有限元模拟仿真分析与试验验证相结合的方法,验证了碳纤维作为遮光罩材料的可行性和是否能够提高光学系统的信噪比。结果表明,碳纤维复合材料应用于空间相机遮光罩的设计是完全可行的。     

空间遥感测绘光学系统研究综述

将遥感技术应用到测绘当中是现代地质测绘技术的发展趋势,随着光学载荷分辨率的不断提高,遥感测绘已经成为社会发展和国民经济发展的重要保障。光学载荷决定了测绘空间遥感器的分辨率、测绘精度、卫星平台体积与重量,是遥感器的核心部分。本文对高成像质量透射光学系统、同轴三反光学系统、离轴三反系统等常用的空间遥感测绘光学系统的结构形式和光学性能分别进行了介绍,并对处于研发阶段的新型空间反射光学系统的结构形式和光学性能进行了展望。分析认为,根据不同的应用环境和技术指标,合理选用不同种类的遥感测绘光学系统,可以最大程度利用平台资源,满足遥感测绘需求。     

基于相同参数抛物镜面旋转阵列的太阳能槽式聚光器聚焦特性研究

针对吉林一号某轻型空间遥感相机的任务需求，以碳纤维复合材料的薄壁筒与桁架杆一体式成型为设计思路，基于拓扑优化、尺寸优化以及铺层优化设计了一种高稳定性的次镜支撑结构。工程分析和实验结果表明一体式碳纤维次镜支撑结构具有较好的结构稳定性，整体质量仅为1.3 kg,其在轨成像质量良好，这进一步验证了一体式碳纤维次镜支撑结构的可靠性和设计方法的正确性。     

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。     

小挠度碳纤维复合材料镜筒设计

碳纤维复合材料目前广泛应用于航天结构高强度要求的场合，对复合材料满足小变形使用要求的刚度设计仍然是航天相机结构设计的难题。通过对共轴三反光学系统公差的分析，给出变形量小于2μm的复合材料的刚度设计要求。根据结构的受力状况建立了物理模型。结合复合材料层压板理论，对碳纤维铺层设计进行了合理的简化，并通过有限元分析软件MSC.Nastran对设计进行了完善和验证。结果表明：设计的碳纤维复合材料镜筒满足了结构端面变形量小于2μm的刚度使用要求。     

空间相机碳纤维复合材料主次镜连接筒设计

设计并研制了碳纤维复合材料主次镜连接筒.根据光学设计中的公差分配,结合复合材料层合板理论,分析了复合材料铺层设计对面内刚度和轴向及周向热膨胀系数的影响,确定了最终的铺层方式.利用有限元软件分析了重力作用下及温度变化时主次镜间的位置变化及连接筒的模态分布.最后,完成了碳纤维复合材料薄壁连接筒的成型和精加工,检测了主次镜系统光学性能,并对装配完成后的相机进行了鉴定级力学试验.分析结果表明:在1g重力载荷及2℃温升耦合作用下,次镜偏心小于0.002mm,次镜倾斜小于2″,主次镜连接筒及次镜系统组合体基频达到265Hz,满足光学设计要求和结构稳定性要求.光学性能检测结果及力学试验结果表明,主次镜系统波像差满足装配要求,主次镜连接筒能够承受鉴定级力学试验考核,连接主次镜的两端响应放大仅1.7倍,体现了良好的阻尼性能.本文中研制的主次镜连接筒重量仅为6.4kg,实现了高轻量化和高刚度,满足空间相机对主次镜位置精度和稳定性的要求.     

空间相机主支撑结构优化设计方法的研究

描述了空间相机运载发射及在轨运行阶段经历的力学和热环境,提出空间相机主支撑结构优化设计方法,用有限元分析法对卡塞格林和TMA两种具体空间相机光学系统主支撑结构进行了优化设计。对拓扑优化前后分析结果进行比较,卡塞格林光学系统主支撑结构一阶固有频率从41Hz提高到72Hz,重量降低15%;TMA光学系统主支撑结构一阶固有频率不变,重量降低35%。结果表明,采用此优化设计方法不仅缩短了设计周期,而且有效地降低了支撑结构重量,提高了主支撑结构的性能,满足系统设计要求。     

新型三反射光学系统设计

随着空间光学技术的发展,对于空间相机地元分辨率的要求越来越高,而且必须具有多光谱成像能力,因此空间相机光学系统的设计要满足视场大和畸变小的要求.本文以共轴三反射光学系统为基础,研究了一种新型的三反射光学系统.该系统不仅中心遮拦小、光学畸变低,而且实现了全色和多光谱CCD的合理排布.设计结果表明:当光学系统的焦距为f=12 000 mm、F数为12、成像谱段位于450~900 nm时,视场角可以达到1.6°,光学系统的线中心遮拦比低于1/3,光学畸变量小于0.5%,在50 lp/mm处调制传递函数优于0.47,成像质量达到衍射极限,可以满足多光谱高分辨率空间相机对地遥感的使用需求.     

集成式双线阵立体测绘相机光学系统设计

针对双线阵立体测绘相机光学系统设计指标的要求,设计了一种三反离轴光学系统,并针对该光学系统的特点,对像质进行了分析.光学系统设计传递函数在0.6左右(在50lp/mm处),相对畸变小于3×10-4,校正绝对畸变小于20μm,相机在成像质量方面达到立体测绘的要求.同时,为了使相机在体积尺寸小、结构紧凑及轻量化等方面满足卫星平台的要求,采用了一种新型的光学系统布局,在减小双线阵立体测绘相机的体积、材料及减轻重量等方面,具有独特的优势;光学系统可以安装在同一机械结构体内,以利于采取有效的热控措施,将主镜以一定的交会角在同一基准上支撑、装调,所以它具有尺寸稳定性好,温度敏感度低等优点.     

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。     

环形孔径长焦距光学系统

介绍一种可望用于空间相机的环型孔径长焦距光学成像系统,也是稀疏孔径的一种。光线通过最外面的环形孔径进入光学系统,经过一系列的同轴环形反射镜多次折转,最后通过补偿镜成像在光学系统的像面上。此类系统具有较大的遮拦比,可以在有效减少空间望远系统的厚度和体积的同时保持较好的成像质量,可望用于微小卫星高分辨率光学有效载荷。给出了光线经过6次反射的一种长焦距光学系统设计结果,并对其进行了像质评价和公差分析。     

逐级优化制定离轴三反射光学系统加工装调公差

逐级优化法是根据离轴三反射光学系统结构参数的像差灵敏度系数大小来确定主镜、次镜和第三反射镜的加工次序的。其方法是逐级优化确定各光学零件的加工公差,加工完成后测量光学元件结构参数,代入光学设计软件进行优化,进而确定光学系统的装调公差。采用该方法制定三反射系统的加工装调公差时将加工和设计过程有机的结合起来,在满足设计要求的前提下使系统的加工和装调公差得到最大程度地放松。     

消畸变、长焦距相机光学系统设计

随着空间光学技术的不断发展,时间延时积分电荷耦合器件(TDI-CCD)相机得到了广泛的应用,TDI-CCD图像传感器的应用不仅提高了相机系统的信噪比而且使相机的光机结构更加紧凑,但光学系统的畸变在推扫过程中会造成像移,并最终导致图像模糊,因此对光学系统的设计提出了新的要求。分析了光学系统畸变对TDI-CCD推扫成像时的影响,研究了空间相机光学系统设计中消除畸变的方法,并进行了光学系统设计。设计了谱段位于450～900nm,焦距f=6000mm,F数为10的三反射消畸变光学系统。设计结果表明,当光学系统视场角为1.6°时,光学系统的畸变量小于0.01%,当面中心遮拦为0.06时,Nyquist频率(50lp/mm)处调制传递函数优于0.50,成像质量达到衍射极限,可以满足高分辨率TDI-CCD空间相机的使用要求。该光学系也适用于多光谱、立体成像和立体测绘等对光学系统畸变有严格要求的相机系统。