小口径高精度折射式光学系统装调公差的分析与控制

采用小口径高精度折射式光学系统的对地观测遥感器对成像质量要求严格,随之对装调公差要求苛刻。传统装调公差分配完全以光学设计给定公差为标准,在实际装调过程中与精度和周期的需求产生矛盾。提出将光学设计和装调实践相结合,用全过程仿真计算进行成像质量预估,对公差进行再分配,并利用光学系统各分离误差相互间的补偿,实时调整公差。然后举例说明在某小口径高精度折射式光学系统装调过程中对公差的具体分析,并详细阐述了针对公差的再分配和补偿方法,实现对偏心误差的控制精度为2,对镜间距的控制精度为1 m。镜头装调完成后成像性能良好,证明公差分配及控制方法的改进使装调效率显著提高。     

大口径红外离轴三反光学系统设计及公差分析

在空间光学领域中,光学系统的发展趋势为长焦距、大视场、轻量化、大相对孔径、高成像质量等。为适应该发展趋势,对大口径反射式光学系统进行研究,在共轴三反系统的成像理论基础上,为避免中心遮拦,提高成像质量,采用视场离轴方式,设计了一款大口径离轴三反式光学系统。该光学系统在奈奎斯特空间频率17 lp/mm处,光学传递函数MTF大于0.75,成像质量接近衍射极限。此外,光学系统公差的合理分配是影响相机总体性能的主要因素,运用公差灵敏度分析和反转灵敏度分析,计算各公差对光学系统成像质量的影响,给出了合适的公差分配,经过模拟分析,按照给定的公差加工装调,系统光学传递函数大于0.55。     

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。     

基于DMD光谱可调的星模拟器光源光学系统设计

为满足在各种谱线分布下对星敏感器探测能力的高准确度标定,提出了一种基于数字微镜器件的光谱可调星模拟器光源光学系统设计方法,以解决星模拟器与星敏感器观星色温不匹配对星敏感器光信号定标准确度产生的问题.首先,根据设计指标选取Czerny-Turner型光学系统为光源光学系统,对Czerny-Turner型光学系统的彗差和象散进行分析,选取消彗差的Czerny-Turner结构;其次利用MATLAB程序求解Czerny-Turner型光学系统初始结构并应用ZEMAX对其进行优化;最后对光学系统进行公差分析.公差分析结果表明,在400~1 100nm的工作谱段范围内,光学系统的光谱分辨率小于2nm,设计结果满足要求,有效降低了光谱不匹配带来的定标误差.     

对焦式着陆探测相机光学系统设计

根据深空探测任务中对着陆器相机要求宽探测范围的需求,设计了一种对焦结构可见/近红外相机光学系统.系统采用准远心光学结构,由前固定组和后对焦组组成,前固定组属于一个无焦系统,后对焦组放于固定组后,当对远近目标成像时,移动对焦组可在像面上获得清晰成像,并且不同距离的目标对焦过程中,系统的焦距不发生改变.实验测得系统焦距为50mm,F数为8,谱段范围为400~1 000nm,能实现探测范围从0.8m到无穷远目标的清晰成像;成像质量高,光学传递函数接近衍射极限,畸变优于1%.对光学系统的公差进行了分析,表明该光学系统公差在现有加工水平下均能保证良好的成像性能,具有工程可实现性.研究表明该光学系统可应用于月球、火星、小行星等深空探测中着陆器的中等焦距的立体测绘相机.     

中波红外长焦距折反光学系统设计

针对多模制导中长焦距红外光学系统结构紧凑及宽温度范围热稳定性的要求,设计了一种中波红外折反光学系统。该系统根据其它模式制导的要求,采用固定焦距和口径的主镜,通过二次成像,在保持长焦距的同时减小了透镜的口径,降低了到达中继成像系统主光线的高度,同时也降低了制造成本。设计了波长为3.7~4.8 μm、焦距f为300 mm、F数为2的中波红外成像系统。结果表明,该系统结构紧凑像质优良,各视场光学传递函数均大于0.6,接近衍射极限,并且在-50~70℃可实现光学被动消热差。针对该光学系统进行了公差分析并提出了抑制杂散辐射的方法,该系统满足实际加工和应用需求。     

基于线性模型的聚焦光学系统静态公差优化算法

为了实现聚焦光学系统中元件公差的自动分配,在实验室自主研发的OTS实际光线追迹软件平台构建公差分析模块,并据此完成元件公差的优化.依据光学矩阵理论,以公差的线性模型为基础,从评价函数、元件公差分配和反馈系数三个方面研究公差优化问题,结合蒙特卡罗方法和数值分析,有效的为各光学元件制定了合理的加工公差.采用结合元件敏感度的公差分配方式,根据现存的问题提出自适应优化法,并给出了相应实现方法.搭建了多元件双通光学系统验证实际情况中公差模型的正确性.实例计算表明,该方式使优化平均迭代次数下降了两轮,相比Zemax分析过程,在结果差异不大的情况下总运行时间下降了40%,表明了算法的合理性.整个分析流程对实际的光学系统加工装配具有一定参考价值.     

用传递函数法优化光学公差

用光学传递函数法制定公差适用于大像差光学系统。传递函数对公差的导数反映了公差对像质的影响程度。在批量生产中，加工误差符合概率统计规律，这就使我们能够借助于传递函数对公差的导数建立起加工误差与传递函数公差的关系式，从而保证光学系统的性能指标。本文应用此法得到的优化公差结果，对用计算机模拟加工的２０组镜头进行评价后，合格率达到了６０％，再加入装校时人工调整因素，合格率上升到８０％。     

设计非球面检测用补偿器应注意的几个问题

介绍了补偿法检测非球面的原理,举例说明了在补偿器的设计中应注意事项。在补偿器中的每个面及其球心都不要位于其前面的光学元件组成的光学系统的焦点附近,以避免其反射光在有效干涉场内与参考光干涉,从而影响检测结果;补偿器中入射角大的面尽量前移,以降低公差要求;对补偿器材料的光学均匀性要认真核算以确保最后的检测结果有效。     

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。     

光学仪器象质和公差的相互关系

<正> 一、引言众所周知,光学设计人员要设计一个光学系统,既要使它达到如系统的总焦距、视场、放大率、后截距等许多指标,又要通过光学计算使系统的象质满足设计要求。同时在它的加工和装配过程中,允许有较大的误差(即“公差容限”)。很显然,在系统的象质满足设计要求的条件下,公差容限愈大,光学系统的加工和装配愈方便,这样可以降低成本,适合于仪器的大批量生产。至此就涉及到如何确定合理的公差容限的问题。目前,人们根据长期积累的经验,通过近似公式的估算,来确定公差的容限。但是,由于光学系统中各镜面在加工和装配中的误差,使它成为一个非共轴的系统。例如,镜面之间的不同心和透镜与镜框之间间隙导致光轴     

高分辨率长焦广角低畸变光学成像系统设计

鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标,为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计,引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明,设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统,在环境温度-10 ℃~70 ℃下,视场角达到90°,畸变小于-0.001 67%,传递函数达到0.4@100 lp/mm,可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时,光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响,根据公差分析,非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求,实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm,传递函数达到设计指标要求,提高了系统的成像质量。     

等离子体诊断用Schwarzschild显微镜的光学设计

 基于三级像差理论设计了用于激光等离子体诊断的极紫外Schwarzschild显微镜光学系统。显微镜的工作波长为18.2 nm,数值孔径为0.1,放大倍数为10。光学设计得到中心视场空间分辨力达0.3 μm,±1 mm视场内分辨力约0.4 μm的结果。分析了Schwarzschild成像系统的物镜装配、系统装调及光学元件加工误差对像质的影响,结果显示光学元件局部面形误差是影响系统成像分辨力的主要因素。通过提高系统装调的精度,可以有效补偿像距误差、两镜间距误差及曲率半径误差对像质的影响。综合考虑实际加工和装调能力,制定了系统整体公差方案,考虑公差后光学系统能够在±1 mm视场内获得3 μm的空间分辨力,达到了等离子体诊断的要求。     

新型LED太阳模拟器光学系统设计及仿真

针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题,基于光电一体化二次光学设计,提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源,通过混光棒和微结构进行匀光,最后利用抛物面镜实现光线的准直输出,基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统进行模拟仿真与分析优化,实验结果表明:在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。     

新型LED太阳模拟器光学系统设计及仿真

针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题,基于光电一体化二次光学设计,提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源,通过混光棒和微结构进行匀光,最后利用抛物面镜实现光线的准直输出,基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统进行模拟仿真与分析优化,实验结果表明:在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。     

大口径光学系统在轨调整补偿能力

随着航天遥感需求的不断提高,光学遥感器的口径越来越大,光学元件的支撑和重力变形对光学系统的影响难以消除,因此需要在轨调整光学元件位置变量,来补偿主镜面形误差引起的系统光学性能的下降。以一个大口径同轴三反射式光学系统为例,在理论上分析了次镜的倾斜、偏心和轴向位置引起的初级像差的变化,得出次镜的在轨补偿能力。利用Zernike多项式模拟主镜面形误差,通过调整次镜的位置自由度,分别补偿主镜的球差、彗差和像散,给出了仿真结果,并进行了工程可实现性分析。结果表明,次镜的位置自由度调整能够补偿主镜的彗差,并能够补偿一定量的像散,但是只能补偿小量球差。     

长出瞳距离轴四反光学天线的设计研究

传统离轴反射光学天线的出瞳距较短,需要中继光学系统将出瞳成像于快反镜附近,这会增加后续光路和结构的复杂度,且中继光学系统的后向散射光会对激光通信终端产生严重的影响。针对上述缺陷,设计了长出瞳距离轴四反光学天线,该光学天线的出瞳被直接设计在快反镜上,省去了中继光学系统。首先,从同轴三反像差理论出发,推导了像差表达式和初始结构方程。然后,基于像差理论和出瞳位置要求,计算了离轴四反光学天线的初始结构参数,并采用Zemax软件对初始结构进行光线追迹和性能优化。最后采用Zemax对离轴四反光学天线进行了公差分析。结果表明:所提系统性能优异,结构紧凑,加工和装调公差合理,满足激光通信终端性能要求。     

极紫外光刻机曝光系统光学设计研究与进展

极紫外光刻曝光光学系统是极紫外光刻机的核心部件，其设计直接影响极紫外光刻机的性能。极紫外光刻机曝光系统的设计难度大、研究周期长，国外极紫外光刻机产品已经用于高端芯片的制造，但国外对中国禁运相关产品。国内极紫外光刻机曝光系统的设计和研发始于2002年。国内相关领域的研究主要聚焦在极紫外光刻机曝光光学系统的光学设计、像差检测、公差分析、热变形分析等。结合国内外极紫外光刻机曝光光学系统设计研究的历史和现状，较为系统地综述了极紫外光刻投影物镜和照明系统的设计研究与进展，包括：极紫外光刻机投影物镜系统及其设计方法、极紫外光刻照明系统及其设计方法、极紫外光刻曝光光学系统的公差分析、热变形及其对成像性能的影响研究，这为我国从事极紫外光刻机研制、曝光系统光学设计与加工的学者、工程师等提供了极紫外光刻机曝光系统设计研究的历史、现状和未来趋势的相关信息，助力我国极紫外光刻机的设计和研制。     

多重结构的体全息存储傅里叶变换光学系统设计

分析了体全息存储傅里叶变换光学系统的设计要求和光学参量的确定。采用多重结构方法对傅里叶变换镜头的正向和逆向光路同时进行了优化,可实现对两对物像共扼位置控制像差。给出了前后组焦距分别为44mm和40mm的达到衍射受限要求的4片型球面全息存储光学系统的设计结果。     

部分相干光学成像系统的光学传递函数和像质评价准则

根据光学成像理论，建立了部分相干成像光学系统的光学传递函数。该函数与非相干成像光学系统传递函数相同，因而部分相干成像和非相干成像两者的光学系统波面像差公差标准也是相同的。这一点解释了显微镜光学系统的光学设计惯用法则：镜头像差公差标准的选择，并不因为采用成像照明方式的不同而有所差异。