Analysis of athermalizing performance of thermal infrared optical system with Cassegrain antenna

The thermal infrared imaging system is of greatest importance in modern optics and the image quality closely relies on the accuracy of the optical system. Heat-induced mirror deformation influences the transmission performance of the optical antenna system significantly, which further degrades the accuracy of the whole system. In this work, the simulation on lens deformation circumstances under the thermal environment is carried out using the finite-element analysis software ANSYS. The focus shift property caused by the thermal effect is studied in the cases of reflective and refractive Cassegrain optical antennas, and the athermalizing performance of Cassegrain optical antenna system is also concluded. This work presents a direction to accurate designing of the thermal infrared optical system.     

利用镜面形变实现共轴折反射式变焦光学系统设计

在光学系统中加入2个或多个可变光学元件,保持光学元件位置不变,通过微调装置改变这些可变光学元件的焦距使得整个光学系统的有效焦距发生变化。基于该设计思想,结合卡塞格林(Cassegrain)反射式望远镜结构模式,使用ZEMAX光学设计软件设计了焦距为1 600 mm～800 mm,视场0.6°～1.2°的变焦系统,整个系统由2个可变形反射面、1个平面反射面和1个透镜组成,主要通过主镜和次镜面型曲率(可变形镜DMs,Deformable Mirrors)以及入瞳直径的变化实现系统变焦。设计结果表明:系统在空间频率16 lp/mm处调制传递函数大于0.75,最大均方根弥散斑半径均小于探测元尺寸,满足成像要求。     

大孔径长焦距摄远物镜光学系统设计

对于长焦距摄远光学系统，大相对孔径意味着成像亮度更加优秀，但是也伴随着孔径边缘像差变差而难以校正的难题。利用折反系统减小光学系统总长，采用反射结构为基础，搭配前后两组校正镜构成光学系统，设计出大相对孔径，总长较短的摄远光学系统。光学系统工作波段为可见光波段，焦距1 000 mm，F数2.1，摄远比0.52，光学总长远小于焦距，遮拦比45%，全视场MTF在空间频率80 lp/mm处大于0.3，像面直径11 mm。该光学系统镜片全部采用球面镜，光学系统由2片反射镜和7片透射镜组成，结构紧凑，成像质量好。对摄远物镜进行公差分析，得出该设计公差较宽松。     

复合式无遮拦激光扩束器的设计

为满足大功率激光发射的要求,提出研制一种基于卡塞格林系统的大口径激光发射的复合式无遮拦激光扩束器,消除卡塞格林系统中心遮拦,提高激光发射效率。依据卡塞格林系统原理及其结构特征,结合伽利略折射式扩束器的特点,设计一种发射口径为550 mm的复合式无遮拦激光扩束器,采用反射式扩束器和折射式扩束器结合的方式,在卡塞格林次镜中心开通孔,使中心被遮拦激光透过。后接伽利略式折射扩束器,对中心透过光束进行扩束,两光束共轴发射。对设计的新型复合扩束器进行激光透过率实验,实验结果表明,对于波长10.6μm激光,透过率大于95.21%,比传统卡塞格林扩束器提高22.12%。     

三镜波束波导在高功率微波天线中的应用

通过对波束波导馈电卡塞格仑天线工作原理的分析,论述了波束波导在高功率微波辐射天线中的应用及设计方法,重点介绍了一套利用波束波导馈电高功率微波辐射天线。该天线利用由三面反射镜组成的波束波导对一个由两个抛物面镜组成的双反射面天线进行馈电,实现了波束的快速扫描。该天线工作在X波段时,功率容量大于1GW,天线增益大于50dB。     

大视场空间对地遥感卡塞格林光学系统设计

设计了用于空间对地遥感的卡塞格林光学系统,系统的焦距为1000mm,F=5．6,光谱范围0．4～O．9μm,视场为3°,畸变小于1％。采用CODEV软件优化出两种系统结构形式,这两种结构形式的光学传递函数都接近衍射极限。将第二种形式的主镜的抛物面改成双曲面,并在校正组中引入了两个高次非球面,校正透镜组减少了两片透镜,其结构简单、体积小、重量轻,更适用于空间遥感应用环境。     

多光轴校轴仪调校关键技术研究

针对多传感器光电系统存在的光轴平行性调校需求,介绍了一种光轴跨距较大的高精度校轴仪及其工作原理。该装置核心为卡赛格林系统,其主镜采用了一种新型粘接与光学定中心方案用于解决受力变形,实际变形结果验证了该方案的可行性。通过精确调校卡赛格林系统以及检测光路的光轴平行性,文中的校轴仪理论检测精度可达10以内,因此其配合大口径离轴反射式平行光管使用时,能实现对多传感器光电系统光轴平行性的高精度调校。     

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。     

卡塞格林反射系统结构动态优化设计

本文对卡塞格林系统在焦平面上的衍射效应进行了分析,并采用有限元素光线追踪法对衍射效应进行了计算.据此,本文提出了以该衍射效应作为卡塞格林反射系统结构优化设计的目标函数,该方法具有直观和量化的优点.采用该方法对大口径反射系统结构的设计具有一定的实际意义.     

红外自适应系统中双波段望远镜与红外物镜设计

大孔径红外光学系统往往易受自重和环境温度影响造成像质恶化,引入自适应光学技术的红外自适应系统能够很好地解决该问题,为此设计了一个用于Hartmann-Shack波前检测的红外自适应光学系统。重点设计了10×可见光与中波红外双波段望远镜,物镜为卡赛格林反射物镜组,无需消色差,在可见光与中波红外2个波段实现了消色差目镜设计;还设计了红外成像中继光学系统,可实现100%冷光阑效率,并补偿望远镜在中波红外波段的残余像差,使最终设计的光学系统MTF接近衍射极限,达到了0.5以上,满足设计指标要求。     

A new method to improve power efficiencies of optical systems with Cassegrain-telescope receivers

We presented a new method to improve power efficiencies of the optical systems with Cassegrain telescope receivers by using vortex sources with optimized parameters. A typical model of optical systems with Cassegrain telescope receivers was established and power losses in the optical system under the H-V 5/7 turbulence model were analyzed in detail. The calculating results showed that power efficiency of the optical system can be improved from 76.48% to 97.25%. A reduced-scaled experiment was carried out and the experimental results showed that power efficiency of the optical system can be improved from 71.89% to 90.60%.     

Design strategy for flat-field Schmidt optical system

The present study provides the theory base for designing flat-field Schmidt optical systems, based on the wavefront aberration of Petzval field curvature, a mathematic model of the Petzval radius is setting up. The radius of Petzval image surface is not equal to the focal length of the primary mirror or the focal length of the system. An aberration balancing method for flat-field Schmidt optical systems design is proposed: did not change parameters of the corrector, through adjusting the distance between the plate and the mirror to realize aberration equilibrium. The total physical track is more compact than equilibrium before.     

外场多光轴平行性测试的光学系统设计

针对外场条件下因大气环境影响导致多光轴平行性误差的问题,设计了一种可见光、1.06μm激光及812μm的长波红外多光轴平行性测试的光学系统,系统采用卡塞格林系统为共光路并以可见光为基准光轴.卡塞格林系统的主次镜均采用双曲面校正球差及慧差,添加校正透镜减小了轴外像差.设计结果表明,该光学系统成像质量达到了衍射极限,在大气...     

Analysis of space off-axis and performance of Cassegrain optical antenna system

The research of optical antenna is of greatest importance in the field of modern optical communication. For optical antenna, alignment of optical system is a significant factor, which influences the transmission quality of optical antenna system. Antenna off-axis is one of the important factors influencing the transmission quality of optical antenna system. In this paper, we analyze and numerically simulate how power attenuation ratio and gain of Cassegrain antenna vary with the antenna deflection angle and the distance that the central axis of receiving antenna deviates from z-axis, when space off-axis happens to the system. Finally, the coupling efficiency of Cassegrain antenna is tested experimentally, and the results show that the coupling efficiency of the Cassegrain antenna dramatically reduces in the case of off-axis. These studies provide a theoretical basis for optical antenna system to achieve accurate alignment in optical communication.     

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。     

New type optical Cassegrain antenna with lenses telescope system

The loss, which caused by the secondary mirror of Cassegrain antenna, is analyzed with Gaussian theory. Under the diameter of secondary mirror being one-fifth of the primary diameter, the loss goes beyond 15%. Optimum structure of optical antenna, which is made up of Cassegrain antenna and lenses system, is devised to solve the waste effectively. The optimal diameter of the mirror is analyzed with Matlab. The relation, the transmitting distance with the ratio of P_{r min}/P_out1 is attained by Gaussian theory, where P_{r min} is the minimum power of receiver signals required by optimum antenna; P_out1 is the power emitted by the optimum antenna.     

激光靶心冲击波观测镜折反式光学系统设计

设计了一种激光靶心冲击波观测镜的光学系统.用反射式光学系统代替折射式光学系统,解决了普通玻璃在200 nm端透过率较低的问题.反射镜不引入色差,有利于系统在200~800 nm谱段消色差.为消系统轴外像差,反射系统选型为对称式.反射镜全部采用球面镜,为消反射镜以及平板玻璃窗带入的球差,引入校正镜(材料JGS1),在满足要求的条件下,控制折射镜的厚度,使系统色差满足瑞利判据的色差允差,得到了良好的成像质量.     

基于卡塞格林结构的高倍太阳能聚光镜

针对传统聚光系统聚光倍数低、造价昂贵且结构复杂的弊端,对高倍太阳能聚光镜进行了设计研究。利用卡塞格林结构具有高倍聚光及光束耦合的优点进行编程建模,设计了新型高倍太阳能聚光镜,给出了设计方法及运用光学软件ZEMAX以不同入射角度入射时的模拟结果。模拟结果表明,设计的太阳能聚光镜消除了球差的影响,在太阳光入射角为0.5°时,实现有效聚光比为544,光学效率为84.835%。该聚光镜较传统聚光镜有更高的光学效率,并且结构简单、价格低廉,有望商业化。     

大口径折反式中波红外衍射望远镜系统设计

为实现空间红外望远镜的高分辨率探测,基于Schupmann消色差理论,开展了大口径折反式中波红外衍射望远镜系统的设计及消热差模型研究。设计了口径1 m、F数为2、全视场0.12°、波段3.8 μm～4.2 μm的折反式中波红外衍射望远镜系统,其主镜及校正镜均为平面衍射透镜,中继系统采用卡塞格林折反式结构,再聚焦及三次成像系统均为折射式结构,对系统进行了公差、鬼像及冷反射分析。设计结果表明:在?20 ℃～60 ℃温度下,系统的MTF在16.7 lp/mm范围内均大于0.7,接近衍射极限,且具有100%冷屏效率,公差满足现有加工装配水平;鬼像能量为0.1%,对目标信号的影响较小;冷反射等效温差（NITD）随温度的变化量小于探测器噪声等效温差（NETD）。该系统可为更大口径红外衍射望远镜系统的设计提供参考。     

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。