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。     

基于倾斜场镜的C-T成像光谱仪优化设计

残留谱线弯曲限制了切尔尼-特纳平面光栅光谱仪在成像光谱仪中的应用.本文不同于传统的基于棱镜的光栅谱线弯曲补偿方法,提出了基于倾斜场镜的补偿方法,即在校正场曲的同时对入射到场镜不同区域,不同波长的狭缝像分别进行谱线弯曲校正,且没有改变系统的其它光学特性.对狭缝大小为7.8mm×0.016mm、光谱范围0.31~0.5μm、光谱分辨率0.4nm、物方焦距70mm、1∶1放大倍率的切尔尼-特纳成像光谱仪进行了优化设计,结果全谱段、全视场MTF0.8,点列图RMS半径小于9μm,相对谱线弯曲小于0.2%,满足设计要求.实际设计表明该方法对于可选用光学玻璃有限,且能量较弱的紫外光学系统是一种可选的优化设计方法.     

离轴全反射施密特系统设计EI北大核心CSCD

为满足紫外宽光谱大视场焦平面光学成像系统的设计要求,研究了全反射施密特光学系统.分析了球面反射镜曲率中心波前,推导了透射及反射施密特校正板方程.为避免光线被遮挡,设计了离轴全反射施密特光学系统.在宽光谱（240～950nm）大视场（±5°）离轴全反射施密特系统中,当λ=0.24μm,u′m=5°时,Δf≤0.031 5mm,探测器控制在焦深范围内,光学系统成像质量达到了衍射极限.该施密特光学系统设计方法适用于宽波段高分辨率紫外成像系统.     

离轴全反射施密特系统设计

为满足紫外宽光谱大视场焦平面光学成像系统的设计要求,研究了全反射施密特光学系统.分析了球面反射镜曲率中心波前,推导了透射及反射施密特校正板方程.为避免光线被遮挡,设计了离轴全反射施密特光学系统.在宽光谱(240~950nm)大视场(±5°)离轴全反射施密特系统中,当λ=0.24μm,u′m=5°时,Δf≤0.031 5mm,探测器控制在焦深范围内,光学系统成像质量达到了衍射极限.该施密特光学系统设计方法适用于宽波段高分辨率紫外成像系统.     

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

 成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。     

中波红外傅里叶变换成像光谱仪后置成像系统分析与设计

提出了一种基于多级微反射镜的静态化新型红外傅里叶变换成像光谱仪结构。系统不含狭缝和可动部件,因此光通量大、结构稳定。介绍了该成像光谱仪的工作原理和光程差的产生方式。根据系统原理对后置成像光学系统进行了分析与设计。结果表明:在-20℃~60℃的温度范围内,系统成像质量良好。全视场传递函数在CCD奈奎斯特频率17lp/mm处大于0.6。系统的均方根(RMS)最大光斑直径小于12μm,系统单个像元能量集中度大于80%,冷光阑匹配效率接近100%。以RMS光斑直径变化为标准,计算了系统的公差灵敏度矩阵,计算结果表明,后置成像系统0视场光斑尺寸小于16μm的可能性为97.7%。     

消谱线弯曲棱镜-光栅型成像光谱仪设计

针对平面光栅和棱镜成像光谱仪难以校正谱线弯曲的问题,提出了利用棱镜-光栅(P-G)组合分光元件并结合系统物镜畸变校正谱线弯曲的方法。分别计算了棱镜和光栅产生的谱线弯曲以及P-G组合元件产生的光谱弯曲,分析了棱镜和光栅的谱线弯曲特性,并基于此设计了P-G组合分光元件和消谱线弯曲成像光谱仪结构。通过优化设计得到光学系统的光谱分辨率高于2nm,点列图均方根(RMS)半径小于8μm,系统谱线弯曲和光谱弯曲小于2μm。证明了P-G组合元件结合系统物镜畸变可补偿校正整个工作波段的谱线弯曲和光谱弯曲。最后的设计结果表明,基于P-G分光元件的成像光谱仪系统在满足像质要求的前提下,谱线弯曲小于1/4像元尺寸,满足使用要求。     

大视场反射式施密特光学系统设计与检测

大视场、低成本、高性能天文望远镜是当前研究和开发的热点。基于像差平衡原理，在正入射施密特矫正板基础上推导出斜入射反射式施密特矫正板方程，针对焦距1 700 mm，成像视场角4°，波段为0.4 μm～0.9 μm，F数为4.25的光学系统，求解出施密特矫正板方程，并作为初始结构参数代入Zemax软件进一步优化。设计结果表明，在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率100 lp/mm处的调制传递函数MTF大于0.35，畸变小于2.5%，成像质量达到了衍射极限。优化设计后施密特矫正板与最近球面最大偏差为0.005 mm，采用特制的补偿器结合干涉仪可完成面形高精度检测。该施密特系统的设计为大视场、宽波段天文望远镜的开发提供了参考。     

光谱仪中球面聚焦反射镜和凹面全息光栅像差互补的一体化设计

为了兼顾光源聚焦镜引入的像差对光谱仪器分辨率和信噪比的影响,提出了消像差凹面全息光栅和聚焦反射镜一体化设计方法。建立了包含聚焦镜和凹面全息光栅的像差分析物理模型,推导了像差系数表达式,构造了像差校正目标函数,经优化得到设计结果。在一体化设计中,针对臂长为170.3mm、基底曲率半径为170.2mm的单色仪光栅,通过反向增大全息光栅像散项,补偿聚焦镜引入的轴外像差。与传统设计方法相比,该方法的像面点列图的均方根尺寸在子午方向由86μm减小到81μm,弧矢方向由765μm减小到167μm,提高了系统的消像差能力,为凹面光栅光谱仪器的光学系统设计提供了新的思路。     

像质检测用光学窗口的温度适应性设计与实验北大核心CSCD

为了在温度变化条件下对光电成像系统进行像质检测与评价,设计一种具有温度自适应功能的光学窗口。分析了温度变化对光学玻璃面形的影响,进行光学窗口的温度适应性光机结构设计,通过有限元分析与实测实验相结合的方法分析了温度变化对光学窗口面形的影响,验证了温度适应性设计的有效性。实验结果表明:常温20℃条件下,光学窗口波像差的PV值和RMS值分别为82.90 nm和6.96 nm;高温50℃条件下,波像差的PV值和RMS值分别为136.68 nm和14.55 nm;低温−40℃条件下,波像差的PV值和RMS值分别为183.51 nm和28.48 nm;高、低温环境下光学窗口的波像差与常温环境下结果对比的数值变化趋势与有限元分析结果具有较好的吻合性;在3种温度条件下光学窗口波像差的PV值均小于或接近(1/4)λ,且由于温度变化引起的光学窗口面形变化很小,设计的光学窗口具有较好的温度适应性。     

薄镜面面形主动校正技术研究

采用12个主动支撑点对口径400 mm薄实验镜进行面形主动校正,使用Zygo干涉仪测量面形误差,主动支撑点的力促动器由位移促动器和力传感器组成。分别测量单个促动器的响应函数,由各促动器的响应函数组成刚度矩阵,然后用阻尼最小二乘法计算各支撑点的校正力。实验中分析主动支撑结构对各项Zernike形式像差的校正能力,并选择了7项像差进行校正。经过5次校正,使初始状态下1.16λ(λ=0.632 8μm)RMS面形精度达到0.13 RMS,接近镜面抛光后的精度。     

极大望远镜高效率多通道光谱仪的光学系统设计

建立了基于边界限制的宽波段高效率多通道光谱仪快速设计的分析模型,讨论了多通道光谱仪的性能要求、初始结构参数、项目成本、风险之间的相互关系。该模型能够根据给定的系统指标快速计算出多通道光谱仪各子系统的结构参数,能在项目初期对方案的可行性和项目预算给出合理的评估。以4 m级望远镜为平台,设计了基于体位全息光栅的多通道光谱仪,光谱范围为350～1000 nm,每个通道在闪耀波长处的分辨率为5000,光谱仪本体峰值效率大于53%,全工作波段单色像质能量集中度在80%处优于15μm,满足系统的性能要求。     

大口径平行光管光学设计和容差分析

大口径平行光管是光学系统检验的关键装置。大口径平行光管光学系统采用球面共轴系统结构，主镜为妒l500球面反射镜，次镜为无光焦度校正板组件，通过优化设计这种系统能够较好地消除系统像差。在设计视场内平行光管系统对532，6328，1319nm三个波长的波像差均小于M40(2=0．6328μm)，不同视场对应的Strehl-ratio分别为0．9993，0．9963和0．9846。如图1所示。     

反应烧结碳化硅球面反射镜的光学加工与检测

介绍了250mm口径、4200mm曲率半径的反应烧结碳化硅球面反射镜光学加工和检测的工艺流程;并按照流程依次介绍了在研磨成型、细磨抛光和精抛光过程中使用的机床、磨具、磨料及采用的工艺参数和检测方法。介绍了在光学加工和检测各个步骤中应注意的问题。展示了加工后250mm口径反应烧结碳化硅球面反射镜的实物照片,并给出了面形精度和表面粗糙度的检测结果:面形精度(95%孔径)均方根值(RMS)为0.037波长(λ=632.8nm),表面粗糙度RMS值达到1.92nm(测量区域大小为603.6ⅹ448.4μm)。     

静止轨道高光谱海洋水色仪光学系统设计

设计了由超大口径前置望远系统和超大视场光谱仪组成的超大口径高光谱海洋水色仪.前置望远系统采用同轴三反光学系统结构,口径为4 m,视场为0.64°,焦距为21.6 m,波段范围为400~1 000nm.超大视场光谱仪采用改进的Offner结构,视场为240mm,光谱分辨率为10nm.探测器像元尺寸为15μm×15μm,4片探测器交错拼接实现400km幅宽.超大视场光谱仪在400~1 000nm的宽波段内,点列图半径的均方根值均小于3.9μm,静止轨道高光谱海洋水色仪全系统不同波长的MTF在33.3lp/mm处大于0.52,各项指标均满足应用要求.     

双波长Yb∶YAG连续激光理论及实验研究

报道了Yb∶YAG双波长激光振荡阈值的理论结果,实验获得了连续双波长激光输出.实验中,采用紧凑的平凹腔结构、940nm光纤耦合LD端面泵浦方式,Yb∶YAG晶体作为激光晶体,采用10%、15%和20%的输出耦合镜,分别实现了单波长和双波长激光输出,在最高泵浦功率为20 W时,输出耦合率分别为10%、20%,最高获得3.94W的1 050nm激光和3.40 W的1 030nm激光,对应的光光转换效率分别为19.7%和17.0%;当输出耦合率为15%、泵浦功率为11.7 W时,获得0.79 W的双波长激光,对应的光光转换效率为6.8%,功率比为1∶1.3,通过光栅光谱仪测量得到双波长谱线中心分别为1 030.31nm和1 047.50nm;当1 030nm激光功率为3.0 W时,30min内输出功率RMS稳定性优于0.18%.该实验结果与理论分析相吻合,可应用于设计稳定可靠的掺Yb双波长激光器.     

红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪光学设计

提出了一种基于静态干涉系统的中长波红外双谱段时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS),分别对前置望远系统及后置成像系统进行了设计。根据像差理论,通过添加约束的方式计算了反射式前置望远系统的初始结构,通过光学设计软件优化,矫正了系统中倾斜分束器和补偿器带来的大数量级像散和彗差;在中波和长波双谱段范围内,前置系统的调制传递函数(MTF)均接近衍射极限。该光谱仪的两个后置成像系统均采用透射式结构,点列图结果显示,后置系统成像像斑均方根(RMS)值在双谱段范围均小于7.0μm。将前置望远系统和后置成像系统进行对接,最终得到了视场角为1.5°,中波通道F数为4,长波通道F数为2的整体光学系统。在双谱段范围内,整体系统的点列图RMS值小于10.7μm,MTF在探测器的特征频率17lp/mm处大于0.5,具有良好的成像效果。     

振动对面形测量误差的影响分析

振动会使高精度面形测量产生误差。建立了振动对干涉测量面形的误差模型,应用13步移相算法分析了在振幅为63 nm时的误差情况。分析结果表明,当面形测量误差的敏感频率为12 Hz时,振动引起的面形均方根(RMS)误差约为12 nm。通过实验进行了验证,仿真分析结果和实验结果基本相同。实验分析了在12 Hz时,振幅为5~63 nm时,对应的测量面形RMS误差为1~7.1 nm,振幅和RMS误差线性增大。为不同振动频率和振幅引起的面形RMS的误差分析和高精度面形测量的振动环境控制提供了一定的参考。     

反应烧结碳化硅平面反射镜的光学加工

介绍了100mm口径反应烧结碳化硅平面反射镜的光学加工工艺流程。按照流程依次介绍了在粗磨成形、细磨抛光和精磨抛光过程中使用的机床、磨具和磨料以及采用的工艺参数和检测方法。介绍了在光学加工各个步骤中应注意的问题。展示了加工后反应烧结碳化硅平面反射镜的实物照片。给出了面形精度和表面粗糙度的检测结果:面形精度(95%孔径)均方根值(RMS)为0.030λ(λ=632.8nm),表面粗糙度RMS值达到了1.14nm(测量区域大小为603 6μmⅹ448 4μm)。     

星载宽波段远紫外高光谱成像仪光学系统设计

根据高层大气遥感的应用要求,设计了一个全反射式的远紫外高光谱成像仪光学系统,该系统由扫描镜、离轴抛物面望远镜和超环面光栅光谱仪组成。提出了一种凹面超环面光栅光谱仪像差校正方法,根据凹面光栅的几何像差理论求解初始结构参数,然后利用光学设计软件Zemax进行优化,完成了超环面光栅光谱仪的设计,在工作波段内,点列图半径的方均根均小于16 μm,实现了宽波段像差同时校正,满足光谱分辨率0.6 nm的指标要求,也证明了提出的像差校正方法是可行的。运用光学设计软件Zemax对远紫外高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,各波长的光学传递函数均达到0.8以上,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,适合空间遥感应用。