共形光学技术

共形头罩可大大减小空气阻力,提高导弹在速度与射程方面的性能。介绍了精确共形光学技术,设计的关键在于校正共形头罩在全部视场的动态像差,讨论了采用旋转/平移位相板、拱形校正器等像差校正方法。简要说明了共性头罩加工、试验及应用状况,指出共形光学技术是未来高速导弹整流罩技术的发展方向。     

利用衍射光学元件进行共形整流罩像差校正的研究

建立了共形整流罩的模型结构，分析了其成像特性，并提出了采用加入衍射元件的方法来设计共形整流罩后的校正板，软件模拟结果表明带有衍射面的校正板能够进一步地改善共形整流罩成像质量. 关键词： 共形光学 整流罩 像差校正 衍射光学     

利于像差校正的共形整流罩内表面面形设计

共形光学系统中,椭球形等厚度整流罩使入射的平行光线经过整流罩后不再平行,变为发散的光线,进而使系统像差急剧增加,不利于后续像差的校正。通过对等厚度共形整流罩的内表面进行重新设计,打破了共形整流罩的等厚度条件,从而在使用较少校正光学透镜的基础上实现了系统像差的校正。通过分析不同级次非球面分别作为整流罩内表面面形时的像差校正效果,确定了将6次非球面作为共形整流罩内表面面形初始结构。通过对内表面进行优化设计,最终得到整流罩内表面面形。结果表明,该方法有效地减小了共形整流罩引入的像差。最后使用固定校正器对内表面变化后的整流罩进行了像差校正,设计结果表明,内表面的改变有效地减少了光学元件数量,消像差效果良好。     

共形光学设计研究

符合空气动力学的导引头整流罩都是流线型的面型,由于这些面型破坏了光学系统的对称性,与导引头成像光学配合时会带来严重的像差,使成像质量下降。所谓共形光学设计就是在整流罩和成像光学系统之间加入校正系统,用校正系统校正整流罩所带来的像差,以便获得良好的成像质量。介绍了共形光学设计的概念,讨论了设计原理,分析了热变形的影响,并给出了一个设计实例。     

基于反向旋转位相板的共形光学系统设计

在共形光学系统中,椭球形整流罩打破了球形整流罩的旋转对称性,引入了随目标视场变化而变化的动态像差。共形光学设计的主要任务就是消除或者减小椭球形整流罩引入的动态像差,使共形光学系统的成像质量满足使用要求。设计了基于反向旋转位相板的共形光学系统,利用一对反向旋转位相板的反向旋转对目标视场进行动态扫描,利用固定校正器、衍射元件和泽尼克位相板校正了椭球形整流罩引入的动态像差。成像系统采用二次成像的透射式结构,实现了冷光阑效率100%。结果表明:该方法不仅有别于传统扫描方式,而且有效地消除了大长径比的共形光学系统的动态像差。     

基于固定校正板和透镜阵列的机载共形窗口像差校正

为了校正大扫描视场机载共形窗口引入的像差,提出一种基于固定校正板和透镜阵列的静态校正方法。首先使用固定校正板校正静态像差;然后在像面前安置固定的透镜阵列,利用透镜阵列中的各个透镜单元分别校正不同扫描角度的动态像差;最后基于所提方法设计应用在机载共形光学系统中的像差校正器。设计结果表明,所提方法在±42°的扫描视场范围内能够良好地校正共形窗口引入的像差。与其他动态或静态校正方法相比,所提方法可以实现大扫描视场机载共形光学系统像差的校正,同时降低机载共形光学系统的质量,提高系统的稳定性。     

Conformal optical system design with a single fixed conic corrector

A conformal optical system refers to the one whose first optical surface conforms to both aerodynamic and imaging requirements. Appropriate correction is required because a conformal dome induces significant aberrations. This paper intends to explain that an effective solution to the easy-fabrication conic surface corrector compensates aberrations induced by a coaxial aspheric dome. A conformal optical system with an ellipsoid MgF₂ conformal dome, which has a fineness ratio of 2.0, is designed as an example. The field of regard angle is pm 30 degrees with a pm 2 degree instantaneous field of view. The system's ultimate value of modulation transfer function is close to the diffraction limit, which indicates that the performance of the conic conformal optical system with a fixed conic corrector meets the imaging requirements.     

特殊整流罩窗口的非对称像差研究

分析了居中球形整流罩的波像差和偏心球形整流罩的波像差。为了分析共形整流罩的一般像差特性,建立了不同类型的整流罩模型,重点分析了像散和彗差,讨论了一阶和五阶像差,并与球形整流罩和偏心球形整流罩的相应像差做了比较。分析了长宽比、边缘厚度与顶点厚度比对像差的影响。     

大偏离度非球面检测畸变校正方法

在高数值孔径(NA)投影光刻物镜中,随着数值孔径的增加,非球面的偏离度越来越大。对这种大偏离度非球面进行亚纳米量级的检测,一直是光学检测的一大难题。本文首先对一偏离度超过500μm的偶次高次非球面进行了计算全息图(Computer-Generated Hologram,CGH)设计,设计出了满足高精度面形检测和刻蚀加工要求的CGH。然后,针对此设计方案,定量分析了CGH的成像畸变及畸变对像差分析的影响。分析结果表明,不同径向位置的成像倍率偏差(畸变)最大达到了2.7∶1,并且由于畸变的存在,低阶像差衍生出了明显的高阶像差。最后,针对用CGH检测大偏离度非球面时出现的成像畸变,提出了采用光线追迹与最小二乘法相结合的成像畸变的校正方法,并通过实验验证了此方法的准确性。实验结果表明,畸变校正之后相对剩余残差小于0.2%,可以满足高精度非球面检测加工的要求。     

利用自由曲面进行微变焦共形光学系统设计

为使万向支架式共形导引头光学系统获得更大的无渐晕观察视场,设计了利用自由曲面进行像差平衡补偿的折反射式微变焦共形导引头光学系统.系统在所有观察视场中的均方根点斑直径都接近或小于像元尺寸,且在非零搜索观察视场中都具有接近衍射极限的成像质量,该方法使共形光学系统获得大的无渐晕观察视场成为可能.     

Correcting dynamic residual aberrations of conformal optical systems using AO technology

This paper analyses the dynamic residual aberrations of a conformal optical system and introduces adaptive optics (AO) correction technology to this system. The image sharpening AO system is chosen as the correction scheme. Communication between MATLAB and Code V is established via ActiveX technique in computer simulation. The SPGD algorithm is operated at seven zoom positions to calculate the optimized surface shape of the deformable mirror. After comparison of performance of the corrected system with the baseline system, AO technology is proved to be a good way of correcting the dynamic residual aberration in conformal optical design.     

气动热环境下共形整流罩热辐射特性研究

高温整流罩产生强烈的红外辐射,在探测器接收面上形成背景噪声,严重影响成像质量。为了评估气动热环境下高速飞行器共形整流罩热辐射对探测器性能的影响,建立了气动热环境下整流罩热流固耦合计算模型、整流罩热辐射发射以及传输模型,计算了整流罩非均匀温度场、形变场、应力以及应变场,仿真得到了共形整流罩热辐射对高速飞行器光学系统成像质量的影响。研究结果表明:随着时间的不断增长,探测器接收面的最大辐照度也逐渐增大。在第10 s时,0°攻角下共形整流罩热干扰辐照度最小值为0.094 W/m2,最大值为0.108 W/m2。和相同工况下的共形整流罩相比,球形整流罩10 s时的最大辐照度分别是椭球面和抛物面形整流罩最大辐照度的近12倍和7倍,即共形整流罩产生的干扰对探测系统的影响较小,不会对探测器的探测性能产生致命性的影响。     

大视场红外导引头光学系统消热差设计

为消除温度变化对共形光学导引头像质的影响,利用光学被动消热差理论对具体设计方法进行实际分析.根据消热差条件选择合理的透镜材料组合,利用衍射元件特殊的光热特性采用折/衍混合结构进行消热差设计.采用椭球形共形整流罩结构减小空气阻力,降低导弹头部气动加热效应,利用三片式反远距结构实现短焦大视场系统设计.该系统工作波段为3~5 μm,系统F/#为2,视场角为±90°;凝视结构的导引头光学系统后工作距达22.8 mm,为制冷型探测器留有足够的空间;冷光阑效率为100%;在-40℃~60℃温度变化范围内,15 lp/mm处全视场MTF值均大于0.4,满足高准确度定位导引头系统对成像质量的要求,保证了系统的轻小型设计.     

基于固定校正镜的折衍共形光学系统设计

设计了一个大扫描视场的折衍混合红外共形光学系统,共形成像系统工作波段为3.7～4.8 m,相对孔径为1/2,焦距为120 mm,扫描视场为40。由于共形光学系统具有大偏心、大倾斜光学特性,像差校正难度较大,设计中采用固定校正镜和折衍混合混合结构校正了共形光学元件的像差,引入了非球面和衍射面有效消除了各个扫描视场的像差。设计结果表明:光学系统光阑与探测器冷光阑重合,满足100%冷光阑效率。在40扫描视场范围内,共形光学系统的光学传递函数曲线接近衍射极限,成像良好。     

二次曲面共形整流罩像差影响因素分析

传统整流罩为半球形或半球形的一部分,产生的空气阻力较大,不利于武器飞行速度的提高。基于空气动力学性能的考虑,采用共形整流罩的光学技术被提出。文章描述了二次曲面共形整流罩外表面、内表面的设计方法及面型表达式,通过在CODEV中建立共形整流罩的扫描成像模型,应用Zernike多项式分解法研究了不同长径比、边缘斜率、口径比和回转中心位置对离焦像差(Z4)、像散(Z5)、彗差(Z8)和球差(Z9)的影响规律。研究结果表明:二次曲面共形整流罩引入的离焦像差、像散、彗差和球差均随着长径比、边缘斜率和口径比的增加而增大,但对成像系统回转中心的位置不敏感。因此,在满足武器的空气动力学性能条件下应尽量减小长径比、边缘斜率和口径比,回转中心的位置主要根据结构需要进行设计。     

二元位相校正技术在相控列阵光学系统中的应用

提出一种使用二元光学器件实现位相校正的新方法。在子孔径拼接的相控列阵光学系统中，采用二元光学器件二元位相校正板对子孔径拼接后产生的残留波像差进行校正，既达到位相校正技术要求，又大大简化系统结构并减小了系统的尺寸和重量。所制作的二元器件具有８个台阶，套刻精度达到２μｍ，并使残留波像差降为原来的一半。     

The study of correction for chromatic aberrations of human eye with diffractive–refractive hybrid elements

A chromatic corrector with two refractive–diffractive hybrid elements is designed over a reasonable wide field-of-view of 7° to correct the chromatic aberrations of human eye. We investigate the performance of the corrector using several optical criteria in a comparison with the chromatic corrector with single refractive–diffractive element. Both the correctors can correct the longitudinal chromatic aberration (LCA) fairly. It is demonstrated that the chromatic corrector with single element introduces serious eccentric transverse chromatic aberration (TCA), which deteriorates the image quality at the edge field-of-view. On using the chromatic corrector with two refractive–diffractive elements, not only the LCA but also the TCA can be corrected very well. The designed chromatic corrector can be used to improve the retinal image quality and has potential application in the design of visual instruments.     

Aerodynamic heating of the dome on imaging quality degradation of conformal optical systems

The aerodynamic flow field surrounding the conformal dome was calculated. The thermal response of the aerodynamically heated conformal dome was analyzed. Gradient refractive index method was used to rebuild the non-uniform refractive index field of the conformal dome. Zernike polynomial fitting method was employed to establish the deformed surfaces of the conformal dome. Zernike aberration theory and modulation transfer function were adopted to evaluate the imaging quality of the conformal optical system. The results show that the aerodynamic heating of the dome severely affects the imaging quality of the conformal optical system.     

双透镜无光焦度校正板和单一反射镜的研究

对双透镜无光焦度校正板和单一反射镜组成的光学系统进行了研究,利用三级像差理论分析了消像差条件,并得出了一组被证明是正确的公式.根据该公式可以求出光学系统的初始结构参量.对于在球面镜反射系统中,基于像差特性分析,得出了系统的最佳结构和双透镜无光焦度校正板中单透镜光焦度的最佳选择.