大口径、长焦距平行光管装调技术研究

主要以焦距7500mm、口径750mm的大型牛顿式平行光管的装调与标定方法为研究对象。该平行光管作为某空间光学系统的检测与标定基准,因此对其装调后的像质稳定性、出射光束平行性、口径对称性、出射光束水平性等参数都提出了极高的要求。从平行光管的关键指标参数要求出发,归纳了Φ750mm平行光管进行初步装调,再研究精密装调的技术原理和方案,分析了可能存在的失调量、产生原因与对应的调整方法。介绍了干涉辅助装调的实验过程和其中遇到的问题与解决方法,最终得到了满足技术要求的装调结果。     

平行光管的调整方法

平行光管是一种能发射平行光束的精密光学仪器,也是调整光学仪器时的重要工具。为了正确使用平行光管和确保平行光管射出光束严格平行,在使用前必须对平行光管进行调整。使分划板严格处于物镜的焦平面上,并使它的中心与平行光管的光轴重合。一般使用自准直法调节,即在物镜焦平面上     

直线运动动态目标发生器光学系统设计

直线运动动态目标发生器用于检测与标定光电跟瞄吊舱的动态分辨率、跟踪带宽等性能指标。动态目标发生器内置平行光管用于模拟无限远动态目标,动态图形置于光管的焦平面并做变速直线运动模拟地面景物的移动动态。发生器内的平行光管由于其长焦距、大口径、大视场的特点,其二级光谱需重点考虑,基于复消色差理论,矫正二级光谱并平衡场曲等其余像差。设计了1m焦距、口径100mm、视场角为5°的大视场、长焦距无限远目标模拟光学准直系统。设计结果表明,光学系统的传递函数优于0.3@100lp/mm,畸变≤0.03%,沿轴色差远小于焦深,有效地矫正了二级光谱。采用分辨率板法检测光学系统的轴上、轴外点的空间分辨率,检测结果表明光管的空间分辨率均达到20组152lp/mm,满足系统要求。     

提高平行光管分划板装调精度新方法研究

推导了分划板失调量与待测系统调制传递函数(MTF)下降之间的解析表达式,对光管和待测系统焦距比与分划板装调精度之间的数学关系进行仿真分析,发现焦距比为1,分划板轴向装调误差为0.0012mm引起的待测系统MTF下降为0.01。据此提出依据Zernike系数定量指导装调,采用数字干涉仪与平行光管、分划板构成干涉光路进行逐次迭代调整的方法。实验与数学分析均表明,上述方法可显著提升分划板装调精度,其引起的探测器离焦导致的MTF下降可控制在0.013。实验结果与理论值之间的偏差表明,环境扰动等不确定度对标定精度产生影响,在测试环境良好的条件下采用上述装调方法,使用焦距与待测光电系统焦距相当的平行光管就可满足高精度光学标定与装调的测试需求。     

五棱镜扫描法检测大口径平行光管光束平行性

基于传统的五棱镜扫描法和图像处理法设计了一台通用检测装置,该装置可以快速准确地检测口径1m以下的平行光管出射光平行性。详细分析了五棱镜姿态对装置测角精度的影响,实测了实验室Φ1m焦距30m的平行光管光束平行性,并根据测量结果进行了焦面调节,最终平行光管离焦量控制在4mm以内,装置测角精度优于1″。     

折射-衍射混合高精度平行光管的设计

 平行光管是安装、调校、测试光学仪器的重要工具之一,也是光学量度仪器中的重要组成部分。为了提高平行光管的测量精度,利用衍射元件的特殊色差特性和像差特性,提出了折射-衍射混合平行光管的设计方案,系统的入瞳口径为80 mm,焦距为500 mm,系统总长小于550 mm。设计结果表明,系统的最大弥散斑直径为5.2 mm,角分辨率小于4.3″,在空间频率50 lp/mm处,系统的调制传递函数高于0.8,接近衍射极限。     

透镜自重变形引起波像差的有限元分析

在用大口径、长焦距平行光管模拟激光远场特性时,其光组透镜在重力作用下的变形不能忽略,为了分析对出射光束质量的影响,采用有限元分析软件“ANSYS”建立了平行光管光组中声400mm平凸透镜的有限元模型,给出一种分析透镜轴向变形引起的波像差的方法,在不同工况下,计算了平凸透镜在重力作用下轴向变形的峰谷值和均方根值,对轴向变形量均方根值最小工况画出了透镜表面变形的等值线图,计算了声350mm通光口径内的波像差峰谷值和均方根值,对平行光管光组的波像差做出估计,验证了设计的合理性。     

小口径角锥棱镜加工工艺研究

针对星载角锥棱镜光束平行差的特殊要求,以我国皮纳卫星激光测距合作目标中使用的通光口径为10mm角锥棱镜为例,介绍一种小口径角锥棱镜加工工艺：通过传统工艺加工出尺寸适中的角锥棱镜;通过配重分离器工艺实现光束平行差的精确控制;通过“大改小”工艺加工成小口径角锥棱镜,成品率可达83%;实践证明：该工艺可以克服小口径角锥棱镜光束平行差无法精确控制的问题,适合小口径星载角锥棱镜的加工。     

平显视差测量系统的设计与实现

 针对平视显示器调试过程中视差检测主观性大,不能给出精确量的问题。基于机器视觉,研制了一套平视显示器视差检测装置。装置采用传统光学系统,利用CCD光电耦合器件手动调节,将大视场平行光管十字分划成像,对图像做处理,计算给出视差值。用装置和摆头法测试结果进行比较,结果表明该测试系统提高了平视显示器视差检测的精确度,整个系统的测量精度为28″。     

紧凑型长焦距平行光管的设计

设计一台用于CCD相机外场测试标定的超小体积、长焦距、高像质的平行光管,结构形式采用全反射离轴两镜式。设计的平行光管焦距1 2000 mm,有效口径400 mm,在线视场30 mm30 mm范围内波像差优于/20@6328 nm。光路经过多次折转后,平行光管外形尺寸小于1 000 mm600 mm500 mm,总质量小于60 kg。经分析计算,平行光管的环境适应性较好,能够满足被检相机正常发射场测试使用需求。     

多视场电视观瞄具的光轴调校技术

针对如何实现多视场电视观瞄具光轴平行性和稳定性的调校,根据其光机系统结构,提出了CCD靶面与双光楔相结合的调校技术方案,通过设计和搭建安装基面与光轴平行的装调装置,用平行光管自准直法建立了统一的装调基准。通过分析双光楔调校原理,对调校技术方案进行优化,添加了双光楔配对和粗调误差控制的工艺要求。经过装调、测试验证,光轴平行性可达0.1 mrad,光轴稳定性可达0.05 mrad。     

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。     

大口径光学离轴平行光管研究——主反镜结构及光学检测

在长焦距大口径平行光管的应用中,平行光管物镜的定位精度以及在装调过程中高灵敏度的调试环节十分重要.介绍大口径离轴光学平行光管主镜结构及其检测方法,给出3种不同口径下的光学系统的装调方法,详细分析 700 mm的平行光管的主镜结构及精调装置,并利用4D干涉仪来检测装调装置对面形的影响.结果表明,该装调装置为自由移动装置,...     

超短脉冲激光瞄准装置光学系统设计

为了提高超短脉冲激光的瞄准精度,基于自准直原理提出瞄准装置光学系统。以670 nm光纤耦合激光器为光源,设计指示光准直、扩束光学系统,准直光的不平行度达到3.2,设计焦距为350 mm,相对孔径1/5,离轴量50 mm的主激光离轴抛物面镜,其成像质量达到衍射极限,基于准直束光学系统和离轴抛物面镜,设计可适应670 nm和800 nm两种波长的20和100的瞄准和监测成像光学系统。提出一种小孔准直的安装调试方法,以指示光进行实验验证,结果表明:设计的光学系统成像光斑均匀,其物方分辨率达到4.1 m。     

基于像差校正的望远系统装调方法研究

为了保证望远镜装配完成后的成像质量和其他关键指标,提出基于像差校正的望远镜装调方法。首先利用Zemax建立光学系统模型,模拟光学零件失调状态,分析各零件的每种失调状态对各类像差的影响情况,进而定量计算光学零件对系统像差的敏感矩阵,得出系统失调特性,拟定最佳装调方案。在此理论分析的指导下,进行基于星点检验法的装调实验,装调后仪器各项指标达到要求,分辨率优于技术指标要求7.5,验证了基于像差校正的光学系统装调方案的可行性。     

远距离投射照明光源设计

针对车辆回复反射器光度性能的测试需求,为了满足测试光源在远距离照射面上高均匀度光斑的要求,设计一种远距离投射照明光源。光学系统采用了反光碗氙灯光源、导光管以及准直透镜的设计型式,能够实现光能的有效利用及远距离传输,可在远距离处形成均匀的接近于平行光的照射面。光学系统设计中加入了旋转调节机构,可完成照明系统连续调焦功能,能够实现在远距离照射面上对均匀光斑尺寸进行连续调节,在照明距离为30 m~40 m的不同照射面上均得到不同尺寸的均匀光斑,照射面上Φ250 mm~Φ300 mm内的光斑不均匀性小于5%。     

共轴PGP型光谱仪的玻璃选择与优化

针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪装调难度大的问题,通过校正PGP成像光谱仪色差的方法保证探测器像面与光轴垂直,并设计了一款宽波段复消色差的PGP系统。从宽波段复消色差理论出发,计算了三种玻璃材料组合理论色差的最小值,为光学设计的复消色差提供了理论支持。利用光学设计软件优化得到的初始结构,结果表明,PGP系统的二级光谱得到了很好的校正,且探测器的CCD无需倾斜,更方便后期装调。覆盖谱宽为400~1000 nm,视场为9.2 mm,空间分辨率优于10μm,光谱分辨率优于2.8 nm,光学传递函数大于0.7,接近衍射极限,满足成像要求。     

非球面光学反射镜的装调方法

针对通过胶粘固定的口径为230 mm非球面反射镜的装调要求,选用无像差面型检测法,通过对3个关键过程,即底板与裸镜的粘接,镜框与底板的连接,光学定心加工的实验研究,提出使粘接应力及结构件传导应力变化量达到最小的微应力装校方法,并通过光学定心加工标定出非球面反射镜的光学中心。装调结果表明:对于口径为230 mm的非球面反射镜,微应力装调后面型精度0.02;光学中心偏心量5 m,分划板表面与光轴垂直度误差2.5。