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。     

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。     

基于长焦距、大口径反射式光学系统成像的工艺技术研究

文中以焦距4 000 mm、口径Φ400 mm的反射式平行光管精密调试、检测工艺方法为研究对象。作为某光学系统的检测与标定基准, 该平行光管在成像质量、分辨率、出射光束平行性等关键指标都有极高的要求,重点从主镜微应力粘接、主次镜光学间隔精确调节、主次镜光轴一致性调节和分划板位置精确标定等关键工艺环节入手进行了深入研究,并利用自准直法进行了精密调试、检测。最终得到的平行光管系统分辨率≤0.8″,出射光束平行差≤3″,星点能量集中,无明显像差,十字分划板竖刻线与安装基准铅垂,综合性能指标达到设计要求。     

主焦点式光学系统的光机结构设计与装调检测

针对应用在极轴式望远镜中的主焦点式光学系统,从主镜的支撑设计与分析、主镜的装调检测、校正镜组件的设计装调和系统的装调检测等方面进行了深入的研究.充分应用了有限元法分析主镜的支撑、定心仪检测光轴的同轴度、平行光管检测系统像质等,得出了主焦点式光学系统的一般装调检测方法.装调后的主镜面形检测结果均方根值达到0.042 8λ,校正镜组的光轴同轴误差达到12.4″.对系统的像质评价采用能量集中度法,成像在靶面上的星点80%能力集中度在24 μm×24 μm范围以内,达到设计指标要求,说明系统结构设计合理,装调检测方法可行.该方法和思路可推广至其他主焦点式光学系统的装调检测工作.     

几何光学 光学系统、成像与分析

TH703 2006031859离轴反射式光学系统设计=Design of reflective off-axissystem[刊,中]/伍和云(安徽建筑工业学院数理系.安徽,合肥(230022)) ,王培纲∥光电工程.—2006 ,33(1) .—34-37提出通过光瞳和视场离轴,实现无中心遮拦的离轴反射式光学系统设计方法。在同轴三反射光学系统基础上,将光瞳和视场适当离轴,实现镜间遮拦的消除。分主镜或次镜为系统孔径光阑两种情况,导出同轴三反射光学系统初始像差公式和初始结构参数计算公式。由三反射系统成像性质,进一步总结无焦光路条件。根据设计理论计算离轴三反射系统初始结构,利用Zemax优化得…     

红外低温相机视轴引出方法

测量红外低温相机的系统调制传递函数(MTF)需要借助于低温平行光管。由于红外低温相机探测器在常温下无法正常工作,并且红外低温相机、低温平行光管离轴抛物镜以及模拟靶标三者是空间分离的,因此实验前需要将相机的视轴引出到平行光管的视轴方向,同时将模拟靶标调整到平行光管焦面位置且靶标中心处于平行光管的中心视场。借助于干涉仪,利用经纬仪分别将相机视轴和平行光管视轴引出到外基准立方镜a和b,通过两立方镜坐标系的方向余弦矩阵关系,将红外低温相机的视轴引出到低温平行光管的视轴方向。对视轴引出精度进行了分析,给出了实验采集的图像。实验结果表明,系统MTF满足要求,同时表明红外低温相机视轴引出方法合理可行。     

轻型高稳定性离轴非球面平行光管设计

为了满足高精度相机在外场环境下的检测要求,采用碳化硅光学材料制作反射镜,碳纤/环氧树脂基复合材料制作遮光筒,设计了一套重量轻、自身精度高、温度稳定性好的离轴平行光管。在二者线胀系数保持二倍关系的情况下,在一定温变范围内保持精度的稳定性。经检测,口径为400 mm,焦距为8 m的离轴平行光管的温变为（20±10）℃,系统波像差为1/5λ（P-V值,λ=632.8 nm）和1/27λ（RMS值）,达到了设计要求,能够在外场环境下使用。     

基于Wassermann-Wolf方程的离轴三反光学系统设计

为了克服传统三反射系统设计中初始结构求解复杂、使用非球面时收敛缓慢的问题,提出了基于Wassermann-Wolf微分方程的离轴三反光学系统设计方法。根据反射定律和正弦条件,推导了一组用于求解同轴三反初始结构的Wassermann-Wolf微分方程。通过多项式拟合Wassermann-Wolf曲面,获得了像质良好的同轴三反初始结构。实现了长焦距(1200mm)、大视场(18°×4°)、大相对孔径(F数为4)的离轴三反光学系统设计。系统各个视场的调制传递函数在50lp/mm处均大于0.5。结果表明,Wassermann-Wolf微分方程设计方法简单有效、收敛快,可以为三反射光学系统提供很好的设计起点。此外,系统的主镜为二次曲面,次镜和三镜为非球面,3个反射镜均无偏心和倾斜,有效降低了制造成本和装调难度。     

轻型高稳定性离轴非球面平行光管设计

为了满足高精度相机在外场环境下的检测要求,采用碳化硅光学材料制作反射镜,碳纤/环氧树脂基复合材料制作遮光筒,设计了一套重量轻、自身精度高、温度稳定性好的离轴平行光管。在二者线胀系数保持二倍关系的情况下,在一定温变范围内保持精度的稳定性。经检测,口径为400 mm,焦距为8 m的离轴平行光管的温变为(20±10)℃,系统波像差为1/5λ(P-V值,λ=632.8 nm)和1/27λ(RMS值),达到了设计要求,能够在外场环境下使用。     

大口径平行光管光学设计和容差分析

大口径平行光管是光学系统检验的关键装置。大口径平行光管光学系统采用球面共轴系统结构，主镜为妒l500球面反射镜，次镜为无光焦度校正板组件，通过优化设计这种系统能够较好地消除系统像差。在设计视场内平行光管系统对532，6328，1319nm三个波长的波像差均小于M40(2=0．6328μm)，不同视场对应的Strehl-ratio分别为0．9993，0．9963和0．9846。如图1所示。     

具有实入瞳的远心离轴三反系统研究与设计

采用远心离轴三反成像系统的空间遥感仪器前有光束限制装置时,要求系统具有实入瞳与之匹配。为了满足这一需要,研究了孔径光阑位于主镜前与系统物方焦平面重合的离轴三反系统的设计问题,推导了主镜和三镜共面时离轴三反系统结构参数计算式及物方焦点与主镜间隔表达式,确定了实现系统物方焦点为实焦点的条件及其解法。据此,针对光谱范围为1.0～2.5μm、F数为4、有效焦距为360mm、视场为5°的设计要求,设计出整个波段全视场像质接近衍射极限的具有实入瞳的远心离轴三反系统,系统非球面最高次数为4次。设计结果表明,这种设计方法可用于实入瞳远心离轴三反成像系统的设计。     

逐级优化制定离轴三反射光学系统加工装调公差

逐级优化法是根据离轴三反射光学系统结构参数的像差灵敏度系数大小来确定主镜、次镜和第三反射镜的加工次序的。其方法是逐级优化确定各光学零件的加工公差,加工完成后测量光学元件结构参数,代入光学设计软件进行优化,进而确定光学系统的装调公差。采用该方法制定三反射系统的加工装调公差时将加工和设计过程有机的结合起来,在满足设计要求的前提下使系统的加工和装调公差得到最大程度地放松。     

大型离轴三反空间相机前框架优化设计与试验

为了保证某离轴三反光学系统空间相机光机结构的高稳定性与高准确度,针对该光学系统中次镜、折叠镜组件轴向空间位置接近的特点,设计了次镜、折叠镜组件一体化的前框架结构,并提出了一种结合了自由模态与约束模态的拓扑优化方法来优化相机的前框架结构.将优化后的前框架模型带入整个相机,并对整机进行有限元分析.结果表明,光轴呈水平状态,次镜、折叠镜相对主镜的倾斜分别为9″与22.4″,次镜相对于主镜的偏心为0.021mm,均在光学系统公差要求范围内.此外,对前框架结构进行自由模态分析与试验,结果验证了优化方法的正确性.所提出的拓扑优化方法可以有效避免基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷,能够为高分辨、宽视场空间相机光机结构的设计提供参考.     

主三镜一体化离轴三反光学天线设计

为提高空间激光通信离轴三反光学天线的装调效率,需要对反射镜总的装调自由度进行优化设计。基于共轴三反无焦系统的设计原理,提出一种主三镜一体化的设计方法,并推导了光学系统结构参数之间的关系,利用Zemax光学软件设计了一种结构紧凑、主三镜一体化的离轴三反光学天线。设计结果表明:全视场光学像质优于衍射极限,主镜和三镜空间位置相接近,可共母板加工和面形共基准检测,为主三镜的一体化加工提供了方法。光学天线的装调自由度减少了6个,降低了装调难度,提高了装调效率。     

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。     

三反射主动变焦系统设计

空间光学系统在对深空探测、监视、威胁侦测和对地高分辨率侦查等应用中,不仅需要能同时获得高分辨率和宽视场范围的变焦系统,还需要体积小、重量轻、低能耗及快速调焦的系统,传统机械变焦系统因需要复杂精确的机械运动控制而存在诸多问题.因而,基于主动光学理论,将主动光学元件应用到成像系统中,提出了通过某个或某几个光学元件的曲率半径变化实现系统焦距变化的理论.根据初级像差理论和系统的外形尺寸,研究了系统主动变焦原理,确定了初级像差方程组的约束条件,求解共轴主动变焦系统的初始结构参数,借助ZEMAX软件进行优化设计,设计了一个由静止的主镜、曲率半径作为变量的次镜和三镜、无光焦度的平面镜组成的三反射主动变焦系统.由于该共轴三反射主动变焦系统存在两次遮光,会影响系统像面能量的接收,因此,指出对共轴系统进行无遮拦离轴优化设计的必要性,讨论了离轴系统设计理论,并设计了离轴三反射主动变焦系统.     

五轴加工中心范成铣磨离轴非球面研究

离轴非球面作为非球面的一部分,是空间光学系统、天文学和高精度测量系统不可或缺的光学器件.针对空间光学对离轴非球面光学元件制造技术的重大需求,开展了离轴非球面反射镜的精密铣磨加工技术研究.分析了五轴联动范成法铣磨离轴非球面的原理,将离轴非球面所在的同轴母镜离散为一系列不同半径的球面环带,将工件坐标系建立在待加工离轴非球面...     

同质材料反射系统热特性研究

为从原理上阐述同质材料反射系统的温度特性,并为光学系统设计提供依据。以热变形特征及其计算方法为基础,以光学系统焦点为研究对象,依次介绍单反射镜、共轴多反、离轴反射系统的温度特性,并建立了相应热差模型。仿真结果表明,离轴三反系统后焦距随温度的变化情况与对应镜筒的热变形量完全一致,其在较大温差范围内具有良好的成像质量。由温度变化引起的热离焦可被镜筒补偿,验证了理论模型的正确性,得出在均匀温度场条件下同质材料反射系统无热差的结论。因此,当光学系统尤其是热差效应明显的红外系统采用同质材料反射系统时具有良好的温度适应性。     

真空低温环境反射镜光谱反射率原位测量技术

为了研究真空低温环境下定标光学系统光谱反射率测量技术,搭建了小型离轴抛物面反射镜的光谱反射率原位测量试验系统。系统由太阳模拟器、准直镜、折叠镜、离轴抛物面反射镜、光谱仪、数采系统等组成。分别在常温常压和真空低温环境下进行测量,得到350 nm～950 nm谱段光谱反射率及变化规律,常温常压、真空低温、恢复常温常压下系统测量平均值分别为0.882、0.863和0.883,测量重复性1.1％,不确定度优于2.4％。结果表明,反射镜光谱反射率在真空低温环境下有较明显的下降,环境恢复后,反射率随之恢复。