光学装调中的一种基于猫眼效应的焦距测试方法

在光学系统装调中,由于光学元件的面型误差、加工误差等影响因素的存在,使待装调的光学系统的装调失调量并非为一个确定的准值,而是一个范围值,在失调量范围内,可能存在不止一组Zernike系数符合要求,即以像差值为判据的装调结果的解不唯一,需要对光学系统的其他参数进行测试判断光学系统在装调阶段是否满足技术要求。介绍了一种在装调过程中,当各项像差的Zernike系数接近设计时,利用干涉仪、分划板、五棱镜、经纬仪等设备,在波前测试光路中采用猫眼效应进行装调过程中的光学系统焦距的测试方法,通过光学系统的波像差和焦距值两种测试结果判断装调工作是否符合要求。经过实际装调过程中的应用验证了该方法的有效性,在光学系统的装调过程中将焦距值控制在±0.5%以内。     

基于矢量波像差理论的两反系统装配失调解算方法

以矢量波像差理论中的三级像差理论为基础,提出了一种两反系统装配失调量解算方法。该方法仅采用轴上视场波前像差系数建立失调量解算模型,然后基于球差系数解算间隔误差,并基于彗差和像散系数解算偏心和倾斜误差,大幅提高了解算精度和效率。以某一两反光学系统为例,利用光学设计软件Zemax进行模拟装调,系统轴上视场失调像差系数均减小到10~(-7)数量级,失调误差均校正到10~(-5)数量级,达到了良好的装调效果。最后,利用该失调量解算模型指导两反光学系统的装调,失调量解算精度及装调精度达到了使用要求。Zemax模拟装调结果和实际装调效果均证明了所提方法的正确性。     

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。     

基于矢量波像差理论的计算机辅助装调技术研究

在三阶矢量波像差理论的基础上,建立了系统内失调量与系统波像差Zernike系数的关系式,并以共轴三反射光学系统为数学模型进行了仿真分析.结果表明,基于矢量波像差理论的装调技术可行,并可用于大型光学系统的装调.利用该理论对一共轴非球面三反系统进行装调,最终使系统波像差RMS<0.080λ.     

某型机载反射式光学成像系统失调空中校正方法

反射式高分辨力光学系统是未来机载望远系统的发展方向。当光学系统工作在航空平台,由于受温度变化、振动冲击等因素的影响,光学系统将存在失调误差,需要对其进行空中校正。建立了反射镜失调量与泽尼克（Zernike）系数之间的非线性函数数学模型,采用Bhattacharyya系数方法去除相关性强的失调量,减少空中装调的复杂程度,增加可靠性。经过校正某同轴三反消像散系统,计算结果表明,系统的波像差均方根值（RMS）减小到0.025λ,与设计值相差小于0.014λ,满足空中装调需求。     

二次成形式Coude光学系统的设计、检测与装调

介绍了一台口径为1.23m光电望远镜的Coude光学系统,通过比较国内外地基大口径望远镜Coude光学系统的形式,结合实际情况,设计了以离轴非球面反射镜作为二次成像元件的Coude光学系统,并给出了相应的检测和装调的方法.经实际检测和装调对准后,对Coude光学系统的设计、检测和装调对准过程中的误差进行了分析和比较,证明了检测与装调方法的可靠性和先进性.该Coude光学系统的焦距为125m,视场为1.5′,波段为0.4~5μm,系统波像差优于λ/50(λ=0.632 8μm),实验室内检测波像差为λ/20.装调对准完成后对恒星观测,用Shack-Hartmann波前探测器测量其波前误差,得到整个望远镜Coude光学系统的波像差优于λ/4.     

共轴三反光学系统卧式装调技术

共轴三反光学系统是空间光学遥感器常用的设计形式,以“高分一号”遥感卫星高分辨率相机装调为例,对共轴三反系统计算机辅助装调技术进行了研究。提出以主镜光轴为装调基准,通过调整三镜控制系统视场和调整次镜控制系统像差的装调方法,分析了次镜和三镜的失调量与Zernike系数变化关系,由光学设计软件求得系统灵敏度矩阵,用于指导系统装调工作,提高了装调精度,缩短了装调周期。测试结果表明:光学系统各视场Zernike系数优于0.05λ,系统波相差RMS值优于0.06λ,系统通过在轨成像测试,图像清晰,层次丰富。     

光学系统辅助装调技术研究

光学系统装调技术是高功率激光工程中的关键支撑技术之一。对光学系统装调中影响系统光束质量的误差来源进行了分析,并根据像差的装调方式进行了分类。对这两类像差的辅助装调方式进行了比较和仿真模拟。针对第一类像差,在装调模型中代入失调系统检测得到干涉图,利用计算机辅助装调模型计算出失调量的大小和方向,确定出系统的装调方案。仿真结果显示,对系统调整工作有较好指导作用。针对第二类像差,利用元件加工面形之间波像差的互补性,优化调整光学元件的装校姿态。仿真结果显示,系统的光束质量口由预期的4．916优化为1．187,提高了多元件光学系统的光束质量。     

利用离轴三反镜光学系统确定各镜的装调公差

利用条纹泽尼克系数与赛德尔像差的关系,在三反镜光学系统的出瞳面上,用条纹泽尼克系数来表示系统的波像差。通过光学设计软件Zemax计算得到三反镜光学系统各镜的装调公差,以公差要求高的镜面作为装调基面,从而减少要调整的自由度。通过分析泽尼克(Zernike)系数在公差范围内的变化幅度来确定光学系统在出瞳面上各个像差的变化幅度,用该幅度的变化量来决定主次三镜各自由度在各个方向上的敏感度,最终确定各个自由度的优化调整级别。对一大口径无遮拦离轴三反镜光学系统进行了装调,在波长λ=632.8nm的条件下进行了检测。结果表明:整个光学系统全视场波前误差的均方根值RMS=0.108λ。     

用像差逐项优化法装调离轴三反射镜光学系统

在对复杂光学系统粗装调完成之后 ,利用自准干涉检验的办法 ,采集光学系统各视场的干涉图 ,然后用干涉条纹分析软件算出整个系统波前误差 ,其量值用泽尼克系数来表示 ,通过泽尼克系数与系统的波像差的关系 ,判断要调整的目标值 ,即当前在光学系统中占主导地位的波前误差 ,对主导误差优化 ,得到系统的失调量 ,由光学设计软件确定其正确后 ,进行一次精密装调。然后进行多次这样的计算机迭代和优化 ,直到光学系统达到最好的调整状态。运用此方法来装调大口径 ,长焦距离轴三反射镜系统 ,在波长λ等于 6 32 .8nm时 ,该离轴三反射镜系统中心视场波像差均方根值达到了 0 .0 94λ ,+1°视场和 - 1°视场的均方根值分别为 0 .10 6λ和 0 .12 5λ。     

计算机辅助装调方法在离轴卡塞格林系统中的应用

针对高成像质量的离轴光学系统的计算机辅助装调问题,许多研究者提出了利用泽尼克系数建立灵敏度矩阵来求解失调量,但这种方法只有在泽尼克系数和失调量存在线性关系的前提下才能准确求解。提出了一种新的能求解较大失调量的计算机辅助装调方法,用此方法对一个口径为250mm的离轴卡塞格林系统进行了装调,得到了中心视场波像差RMS为0.0405λ(λ=632.8nm)。由这种方法计算出的失调量不仅准确,而且能够用于系统装调初期存在大失调量的情况。因此用这种方法能够显著提高离轴光学系统的装调效率。     

面对称光学系统的初级波像差理论研究

非旋转轴对称光学系统波像差理论的建立有利于理解旋转 轴对称光学系统的装调误差和离轴三反射光学系统等非旋转轴对称光学系统的选型设计. 本文利用旋转轴对称球面光学系统的全口径初级波像差理论推导了子孔径面对称光学系统的初级波像差分布公式, 证明了面对称光学系统中的节点像差理论, 即除球差外的所有初级像差的零值节点偏离视场中心, 而不再是视场的旋转对称函数; 并首次阐述了多零值节点初级非对称像差产生的根源和变化特性. 该理论可以有效指导非对称光学系统初始结构的选择和优化设计过程. 关键词： 面对称 像差 几何光学     

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5000 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1/62λ,边缘视场波像差设计值达到1/2...     

投影物镜小比率模型的计算机辅助装调

针对小比率模型光学系统光学元件数量较多,无法用每个补偿量去补偿对应失调量的问题,提出利用计算机辅助装调方法,通过建立系统的灵敏度矩阵找出偏心失调量和倾斜失调量的内在联系来缩小补偿量的选择范围。根据失调量敏感度的分析,提出了只用4个补偿量补偿系统波像差的想法,并对所选补偿参量的补偿效果进行仿真,以此近一步验证想法的可行性。光学系统初装完成后,将实际测得的系统波像差以36项Fringe Zernike多项式的形式代入灵敏度矩阵,计算得到补偿参量的补偿值和移动方向,用驱动器实现像质补偿。实验结果表明：系统波像差（RMS）由50.864 nm提高到25.993 nm,优于技术指标要求,证明了所选的4个补偿量的正确性和有效性。     

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。     

投影光刻物镜的计算机辅助装调

针对投影光刻物镜苛刻的像质要求,将计算机辅助装调(CAA)技术引入投影光刻物镜的装调过程中,建立了相应的数学模型。选取33个视场Fringe Zernike多项式的4~37项,以及畸变作为校正对象,并选取19个结构参量作为补偿器。通过将CODE V的宏功能和Matlab结合,采集灵敏度矩阵和像质数据。提出用奇异值分解求加权最小二乘解的方法计算补偿量,通过权重因子实现对不同视场上不同Zernike项系数或畸变的改进。将补偿后光刻物镜的性能和理想光刻物镜对比,发现相比于设计镜头,装调后镜头的平均波前均方根(RMS)大约差0.004λ,平均畸变大约差1nm,该方法可以将系统波像差和畸变恢复到接近设计水平。     

基于夏克-哈特曼传感器的计算机辅助装调方法

夏克哈特曼传感器是自适应光学中应用最广泛的波前传感器,它不仅可以测量大气湍流引起的畸变,还可以测量由风、温度变化和机械应力产生的镜面位置误差引起的像差.基于夏克哈特曼传感器,推导了子孔径斜率与装配误差之间的函数关系,提出了一种基于光学系统失调前后点阵光斑质心偏差信息的计算机辅助装调方法,将装配误差求解问题转换成多目标优化问题,可采用多目标智能优化算法进行求解该问题.以某三反光学系统为例,基于Python和Zemax联合仿真进行模拟装调,仿真结果表明,经三次迭代可将失调误差校正到微米级,这可满足实际装调需求,结果验证了所提方法的正确性.     

用于折反式红外光学系统的辅助装调镜设计

针对大口径折反射红外光学系统设计过程中正主、次镜的像差为单独校正,无法实现高精度调试的问题,提出设计一套可见光波段辅助装调镜的方法,辅助镜用于补偿主次镜之间的像差,完成高精度装调。辅助透镜研制过程中,严格控制加工精度,减少对系统精度的影响。采用ZYGO干涉仪对系统进行了调试,波像差实际值为0.3,设计值0.14。最后,更换中继透镜组,光学系统成像质量达到红外搜索跟踪系统的要求。     

透射波前Zernike系数与波长的函数关系研究

波前像差可以很好地反映光学系统的性能,波前检测结果通常用一组Zernike多项式线性组合表示。透射式光学系统波前需要在特定波长下检测,由于检测仪器的限制,目前只有少数波长的波前可以得到准确检测。提出一种新的思路,通过分析透射波前Zernike系数与波长的函数关系,间接反映波前随波长的变化规律,从而实现任意波长波前的检测。利用Zemax对光学系统建模,采集光学系统在不同波长时的波前Zernike系数,通过Matlab曲线拟合工具寻找Zernike系数与波长曲线可能存在的函数形式,并最终确定了Conrady-Zernike公式。模拟的光学系统使用这种解析式计算所得Zernike系数的最大误差在1%以内。结果表明透射式光学系统的波前Zernike系数与波长之间基本符合Conrady-Zernike公式的关系。     

折轴三反射光学系统的计算机辅助装调技术研究

 给出计算机辅助装调中失调量与像差关系的数学模型,利用Zemax对折轴三反射光学系统进行失调仿真,得到失调数据,再对数据进行分析和处理,求得次镜和三镜的灵敏度矩阵,还对各种初级像差与各装调参量之间的对应关系及该系统的失调特性进行讨论。根据以上分析结果,最终确定了共轴三反射光学系统的装调方案。为了验证方案的可行性,在Zemax中对共轴三反射光学系统人为地加入不同的失调量后,按照确定的装调方案,利用建立的计算机辅助装调数学模型计算出失调量的大小和方向,再根据计算结果对共轴三反射光学系统进行调整,仿真结果和实际装调结果都证明该方案是可行的。