一种用于光机热集成分析的新方法——干涉图插值法

Zernike多项式是光机热集成分析中实现光、机、热各分析软件之间数据传递的重要工具。许多光学元件表面形状并不满足Zernike多项式的正交性条件，使有限元分析不能精确拟合光学元件表面变形及变形产生的各项像差。讨论影响Zernike正交性的几个因素，详细介绍将有限元分析得到的光学表面变形数据导入光学分析软件的一种新方法——干涉图插值法。该方法避开Zernike多项式拟合，在去除镜面刚体位移后将镜面畸变精确地表示成干涉图数据，直接生成数据接口。     

环扇形分块主镜的波面拟合及重构方法研究

用有限元分析获得了环扇形分块主镜的镜面热变形数据,分别用圆域Zernike多项式和环扇域Zernike多项式对其进行了波面拟合,比较了用两种多项式的拟合精度。基于哈特曼-夏克波前传感器对由环扇形镜面热变形引起的畸变波前进行了模式法重构,分析了用上述两种多项式重构时矩阵条件数和测量误差对重构精度的影响。     

米级口径经纬仪保护窗口镜面变形分析

为了精确分析外载荷作用下米级口径经纬仪保护窗口镜面变形,本文基于接触有限元理论建立了米级口径经纬仪保护窗口带摩擦接触的有限元分析模型,对比了线性刚性连接和非线性摩擦接触方法的差异。采用齐次坐标变换法去除刚体位移,得到米级口径经纬仪保护窗口镜面畸变数据,使用Zernike多项式作为光机集成分析的接口工具,并将Zernike多项式系数导入ZEMAX中,以波前像差RMS值衡量镜面变形对成像质量的影响,并与干涉仪检测结果进行比较。考虑摩擦接触条件得到的保护窗口镜面波前像差RMS值为38.095 nm、PV为205.027 nm,使用干涉仪检测得到的保护窗口镜面波前像差RMS值为40.626 nm、PV值为235.654 nm。实验结果表明,考虑摩擦接触条件的仿真实验与干涉仪检测实验的镜面波前像差RMS值偏差为6.23%,能更准确地反映米级口径保护窗口镜面变形。     

面内位移测量的基于梯度的数字图像相关方法

将整像素位移搜索和基于微区统计性质的亚像素位移梯度算法相结合的数字图像相关方法具有计算简单、求解效率高等优点。该方法的基本假设是变形前后的子区做刚体平移,这则与有位移梯度存在的实际情况相矛盾。首先分析了该基本假设的理论误差,在基于梯度的数字图像相关方法中,得出变形子区做刚体平移的假设和在Newton-Rapshon方法中子区均匀变形的假设所获得的变形子区中心位移在理论上为相同的结论。然后用四组实验来验证该方法在实际实验条件下的计算精度和稳定性,并在铝板试件的单向拉伸实验中,将该方法与N-R方法在有应变存在情况下的计算结果作比较,结果表明该方法计算的位移和理论位移符合得很好,但其计算速度和效率要远优越于N-R方法。     

光学工程分析中的镜面面形处理新方法

光学系统在载荷的作用下会发生变形。基于干涉检验理论,提出了一种先调整后再拟合的处理方法。首先利用下山法计算光学镜面在法线方向的变形;然后利用Zernike多项式拟合变形曲面得到Zernike系数;最后去除刚体位移,作等高线图。新的数据处理方法可以更好的与干涉检验保持一致。对某相机的主镜进行仿真试验,结果表明,下山法计算效率较高,先调整后再拟合的处理结果与干涉检验结果的一致性较好。     

光机系统的一体化仿真分析

建立了光机一体化仿真方法,从而实现对光学系统的性能评估.利用Ansys有限元软件进行热-结构仿真,将得到的数据文件进行刚体位移分离时采用新的评价函数,通过设置位移参量和随机值验证计算精度达到0.3%.运用Householder算法做Zernike拟合,将拟合系数作为与ZEMAX进行通信的数据接口,并采用动态数据交换技术实现Matlab与Zemax的数据交换.在此基础上给出一个角度检测物镜仿真的实例,得到了光学畸变随温度变化的曲线,说明为达到1″的测量精度,需保证工作温度范围为14~26℃.     

机载相机非球面光学系统热光学特性分析

环境温度是影响非球面光学系统成像质量的主要因素之一,采用热光学特性分析方法,对某机载相机非球面光学系统进行热光学特性分析,通过有限元法分析相机光学系统结构热变形,并去除镜面表面刚体位移,将面型数据输入光学软件程序进行Zernike多项式拟合,将拟合结果导入光学设计软件中,对非球面光学系统成像进行性能评价。分析结果表明:热光学特性分析方法可以有效地对非球面光学系统的实际工作环境进行仿真,预测环境温度对光学系统成像质量的影响,对光学系统设计具有指导意义。     

非均匀激光辐照下硅镜热变形对光束传输特性的影响

 使用有限元法计算了硅镜在DF化学激光器非稳腔输出的中空非均匀激光辐照下镜面温升和反射面面形随时间变化的特性,使用65阶Zernike多项式对镜面面形进行了曲面拟合,使用光线追迹的方法计算了平行光束经不同数量硅镜反射后的光束波前分布PV值、Strehl比和Zernike像差系数随时间变化的特性。计算结果表明：在典型的DF激光器输出的中空方形光束辐照下,硅反射镜的热变形将使反射光束产生波前畸变,波前畸变中,y方向像散项占据主要地位,其次是离焦项;随着激光系统中反射镜面数量的增加,高阶像差系数将逐渐增大,且波前PV值与反射次数成线性关系。     

温度对星载成像光谱仪谱线漂移的影响

为了研究温度对成像光谱仪谱线漂移的影响,分析了谱线漂移与光谱成像系统各镜面刚体位移之间的关系,建立了温度对成像光谱仪谱线漂移影响的理论模型,通过软件仿真和热光学试验对理论模型进行了验证和修正。基于线性光学理论建立了镜面刚体位移对谱线漂移影响的数学模型,使用蒙特卡罗法对理论模型进行了数值仿真验证;采用有限元法求解了温度载荷下各镜面的刚体位移,在Matlab软件环境下利用Code V的API函数对变形后的光学系统进行了光线追迹,求解了镜面刚体位移导致的谱线位置变化,研究了成像光谱仪的谱线漂移特性,得到了温度载荷作用下的谱线漂移模型;通过热光学试验对理论模型进行了验证和修正。结果表明,在8℃～28℃范围内,谱线在光谱方向仅发生整体平移,没拉伸或压缩效应;基于线弹性理论和线性光学模型建立的理论模型与试验结果吻合较好,最大偏差不超过12%,修正后的谱线漂移模型相对误差小于5%,绝对精度优于0.2pixel。     

梯度-曲面拟合法的亚像素位移测量算法

数字图像相关方法作为光学测量的一种测量方式在结构变形测量中有广泛应用,其中亚像素位移测量精度成为关键。基于亚像素位移测量精度影响因素的分析,研究了计算子区灰度插值、计算窗口大小以及拟合距离对亚像素位移测量的影响。提出了一种梯度-曲面拟合法的亚像素位移测量算法,即,先采用梯度法计算出结构的亚像素位移,再对计算子区进行亚像素插值,然后调整拟合距离进行亚像素曲面拟合。最后利用计算机模拟算例验证了该方法具有良好的计算效率、计算精度及抗噪声能力。     

静、动态目标模拟离轴三反光学系统设计

基于单色像差理论,确定同轴三反光学系统的初始结构参数,通过二次曲面系数为0的偶次非球面的高次项之间的平衡,校正离轴系统引起的非对称性像差,同时结合DMD(数字微镜器件)目标生成器,设计出一款采用离轴三反光学系统的平行光管,为坦克承载的被测光电设备提供室内模拟目标。本光学系统的设计指标是工作波段为0.2~1.2μm,有效焦距为3000mm,全视场为2°,F数为8。结果表明,系统各视场的波像差均优于λ/34(主波长λ=0.6328μm),传递函数MTF均优于0.71@36.5lp/mm,接近衍射极限,成像质量好。对系统进行公差分析之后,系统的传递函数值远优于0.6@36.5lp/mm,合理的公差分配使系统加工难度降低,装调检测更加方便容易。     

非球面数字波面检测技术

提出了一种快速检测浅度非球面（非球面度小于0.01 mm）的方法,该方法无需补偿器或其他辅助光学元件进行零位补偿。用移相干涉仪直接测量正轴或离轴的浅度凹非球面,剔除平移、倾斜、失焦等调整误差后,得到实际被测镜面的面形分布数据;根据正轴或离轴的浅度凹非球面矢高方程计算理想非球面的面形分布数据,得到理论波面数据,用实测的面形分布数据减去理论的面形分布数据即可得到被检非球面的剩余波像差,即面形误差。利用该方法测量了一口径为135 mm的双曲面,并用零位补偿法加以验证。两种方法的检测结果精度相当,说明数字波面法可实际应用于正轴或离轴的浅度凹非球面的检测。     

大口径离轴凸非球面系统拼接检验技术

针对大口径离轴凸非球面面形检测的困难,本文将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接干涉技术相结合,提出了凸非球面系统拼接检测方法。对该方法的基本原理和具体实现过程进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型。当离轴三反光学系统的主镜和三镜加工完成以后,对整个系统进行装调和测试,并依次测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值可以求解得到大口径非球面全口径的面形信息,从而为非球面后续加工和系统的装调提供了依据和保障。结合工程实例,对一口径为287 mm×115 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,经过两个周期的加工和测试,其面形分布的RMS值接近1/30λ(λ=632.8 nm)。     

离轴反射式平行光管设计及次镜检验方案研究

平行光管是光学实验室常用的光学精密仪器,通过光源照射靶标模拟无穷远目标,是光学系统装调、测试必需的设备。设计了一个有效口径为200 mm、焦距为5 000 mm的平行光管,采用离轴两反射式系统结构,视场角为0.35°,主次镜都为非球面,次镜为凸双曲面,系统中心视场波像差设计值达到1/62 λ,边缘视场波像差设计值达到1/21 λ。对该平行光管次镜检验方案进行了研究,提出了一种简单可靠的凸双曲面次镜正面检验方案。     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40 RMS (λ=632.8 nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60 RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

Aberration theory of plane‐symmetric grating systems

Aberration theory of plane‐symmetric optical systems of mirror and grating has been developed based on the wavefront aberration method. A toroidal reference wavefront surface is used to define the wavefront aberration. Based on the ray geometry, the coordinate mapping relationships of the ray between the optical element and the incident and aberrated wavefronts are derived using a polynomial‐fit method; this enables the resultant coefficients of the wavefront and the transverse aberration to be kept to the fourth‐order accuracy of the aperture‐ray coordinates. By setting up the transfer equations of the field and aperture rays, the contribution to wavefront aberrations from each mirror and grating can be added to make the aberration calculation of multi‐element systems feasible. The theory is validated by the analytic formulae of the spot diagram.     

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.     

反射镜补偿检验

在光学加工中,反射镜可以很好地补偿待检镜,解决加工中的一些难题。通过三级像差理论求解反射镜补偿检验二次曲面的初始结构参量,令球差系数∑S1=0,补偿镜e21可选择球面或椭球面,推导出补偿镜和待检镜之间关系的表示式e。21=0、0.1、0.2、0.3、0.4,按公式画出e22/α~β,αr02/r01~β的曲线图,从中确定β∝α,e21,e22,r01,r02,d12的对应关系,解出补偿检验的初始结构参量,分析补偿镜放置待检镜曲率中心前α>0,α>1和后α<0、β≥0,β≤0对应待检镜的e22各种求解。分析看出:这包括了补偿检验的全部功能,对凸和凹的二次曲面都可以进行补偿检验,其中有以前提出的解,也有以前没有发现的解,对补偿检验的全面分析是非常有益的。