多组全动型变焦系统新型设计

为了寻找简单的多组全动型变焦系统的解算方法及降低全动型变焦距系统设计时对经验的过分依赖,提出了一种全新的方法来计算系统组元的光焦度分配。以组元之间的间隔为初始量,把组元的运动形式作为自由量,通过计算公式求出满足间隔要求的光焦度分配和组元运动形式。该方法在一定程度上降低了变焦系统光焦度分配的难度,更重要的是,为探寻新的变焦运动方式提供了一种新的思路。在得到系统的光焦度分配之后又推导出一种求解系统组元移动曲线的简单方法。为了验证该方法的可行性,设计了一个四组式全动型变焦系统。所设计系统优化后的光焦度分配值和计算的结果都很接近,并且得到了组元的移动曲线,从而验证了该方法的正确性。     

紧凑型无热化非制冷红外光学系统设计

随着非制冷红外探测器技术的快速发展,非制冷红外光学系统得到了广泛应用。为满足机载或弹载非制冷红外光学系统结构尺寸紧凑、相对孔径大、温度适应性强、杂散光抑制能力高的要求,采用折反射式二次成像光学系统结构形式,实现了远射比0.55,F数0.8的光学系统设计,同时采用光学被动补偿方式,通过适当的光学和结构材料匹配实现了-40℃~50℃无热化设计,并配合一次像面处视场光阑保证光学系统具有较高的杂散光抑制能力。给出了完整的光学系统设计,设计结果表明:光学系统在不同温度下各视场调制传递函数接近衍射极限,空间排布紧凑。通过高低温成像实验,验证了该非制冷红外光学系统满足机载或弹载应用的环境要求。     

红外双色宽波段高衍射效率衍射光学系统设计

采用双层Kinoform型衍射光学元件,设计了一种能够同时在红外中波(MWIR)3~5μm和长波(LWIR)8~14μm波段内工作的双波段光学系统。系统仅使用两种材料(ZnS和ZnSe)和四片透镜,实现了焦距100mm、F数1.2的长焦距、大相对孔径光学系统设计。通过数值仿真运算,合理地选择双层衍射光学元件的两种基底材料及设计波长,衍射光学元件的带宽积分衍射效率超过96%。系统像差得到了很好的校正,成像质量良好,中波所有视场调制传递函数(MTF)(14.3lp/mm)大于0.7,长波大于0.65,且接近衍射极限,同时分析了衍射效率对系统MTF的影响。最后利用Matlab软件绘制了衍射表面微结构仿真图,两个衍射面的最大闪耀深度分别为179.3μm和159.4μm,最小特征尺寸为1.41mm,完全满足目前金刚石车削工艺的加工要求。     

离轴反射式空间天文望远系统设计及其杂散光抑制研究

为满足天文望远系统大F数、长焦距、轻小型化、高成像质量、高消杂光比等要求,采用库克离轴三反消像散(TMA)光学结构形式,设计了参数为焦距f′=24m,F数16,视场1.6°×1°的离轴望远系统。设计了系统的外遮光罩及其挡光环,并对系统内部的杂光陷阱结构进行优化。利用杂光分析软件对系统的点源透射率(PST)进行仿真计算,结合正向追迹和反向追迹两种方法寻找关键面与关键路径,反复迭代优化改进相应光机结构。设计及仿真结果表明,系统各视场光学传递函数均接近衍射极限,视场外规避角40°时,PST小于10-11,满足空间天文望远系统对成像质量和杂光抑制的要求。     

星光折射自主导航星敏感器及光学系统设计研究

基于星光折射间接敏感地平自主导航星敏感器的工作原理,详细分析了星光折射星敏感器的探测参数设计,包括探测谱段、恒星观测视场、探测概率及阈值星等、恒星探测能力等。星光折射星敏感器的观测视场分为折射星与非折射星两部分,对折射星的观测视场随轨道高度增加而减小;受限于大气光谱吸收,观测折射星的谱段宜选择600~900 nm,探测信噪比随大气折射高度降低而减小。采用高灵敏度的背薄电荷耦合器件(CCD)以及精度达到微米级的无热化光学系统匹配设计。结果表明,光学系统像质良好,单一星敏感器单星测量精度达到1″,满足目前航天自主导航对姿态及位置测量精度的需求。     

新型椭球形窗口零位检测技术研究

椭球形窗口的检测技术严重阻碍其成功应用。首先简要介绍了目前普遍使用的非球面检测技术,并针对椭球形窗口大倾斜、大偏心、深非球面的特点,基于零位补偿检测法原理,设计了一种适合椭球形窗口检测的改进型Offner零位补偿检测系统。检测系统包括补偿镜、场镜和标准球面参考镜,检测系统工作原理为:干涉仪出射平行光线通过补偿镜及场镜产生修正波前,通过椭球形窗口照射到标准球面反射镜,并按原光路返回与参考光线干涉,其干涉结果显示出椭球形窗口的面形偏差。实现了对椭球形窗口的高精度全口径一次检测并给出了完整的设计结果。检测了长径比为1.0,口径为110mm的椭球形窗口,其波前残余波像差均方根值为0.0052λ。设计结果为实际使用提供了一定的参考。     

大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统设计

根据目前搜索和跟踪系统要求其红外成像光学系统具有高成像质量、超轻小型化和高温度适应性的特点。采用折反射式光学系统结构形式,基于J-T制冷型320×320凝视焦平面阵列探测器,设计了一种大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统,光学系统远摄比达到0.6。采用光学被动消热差方法进行设计,使该系统在-40℃～60℃温度范围内实现了无热化。同时采用杂散辐射分析软件对系统进行杂散辐射分析,提出合理杂辐射抑制方案,给出了完整的光学系统设计。结果表明,光学系统在不同温度环境下所有视场的调制传递函数(MTF)(17lp/mm)均接近衍射极限,80%的能量集中在1个像元内,且具有结构紧凑、体积小等优点,可满足搜索和跟踪红外光学系统的使用要求。     

基于矢量波像差理论的两反光学系统装调研究

 为了实现对两反光学系统的精密装调,提出一种基于矢量波像差理论和波像差检测技术对失调量精确求解的装调方法。使用矢量波像差理论,将已设计的两反光学系统参数、失调量和失调光学系统的波像差之间建立方程;然后通过干涉测量法得到某一个视场的干涉图,利用条纹分析软件得到表征失调系统三阶彗差和三阶像散的泽尼克项系数,将泽尼克项系数代入方程从而求解出失调量。运用此方法对4 m口径RITCHEY-CHR-TIEN结构的天文望远镜进行模拟装调,最终求解的失调量与引入的失调量结果相互吻合,说明该装调方法正确。