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。     

离轴三镜系统光学元件间补偿关系研究

分析了离轴三镜系统中光学元件调整变量间的补偿关系和面形误差与调整变量间的补偿关系.调整变量中偏心变量和倾斜变量的位置失调常常会产生同种像差,存在一定的相关性.从失调像差理论出发,通过平衡偏心变量和倾斜变量产生的初级像差,得到偏心变量和倾斜变量间的补偿关系.利用Zernike多项式模拟面形误差,建立面形误差与初级像差的关系,使面形误差与调整变量联系起来.通过计算机模拟,给定光学元件一定的面形误差,然后调整光学元件的偏心、倾斜和横向位移进行补偿,发现当次镜带有1λ像散的面形误差时,补偿后系统波前误差只下降了0.01λ RMS.     

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。     

三反射镜空间遥感器的光学设计

通过选取三镜消像散(Three-mirror anastigmat,TMA)的结构形式介绍了共轴系统离轴使用的方法。TMA系统由三个二次曲面镜、一个变形镜和一个快速稳像镜构成。根据三镜系统的初级像差理论推导出了系统的初始结构,利用自动光学设计软件Zemax对初始结构进行了像差优化设计。采用两种优化方法来保证系统的出瞳与变形镜重合,以便于校正主镜的剩余误差。所设计出的光学系统的成像质量可接近衍射极限,满足了系统对成像质量的要求。     

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。     

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。     

计算机辅助装调与传统基准传递技术相结合实现三镜消像散系统的装调

为满足复杂航天光学系统对精度的要求,克服传统基准传递技术与计算机辅助装调技术对多于3片反射镜的复杂光学系统进行装调时存在的局限性,提出了两种技术相结合的装调方法。采用提出的方法对三镜消像散（TMA）空间相机进行了装调,结果显示：三镜在Y向和Z向的失调量分别由18.651和9.879 mm降低到1.036和0.102 mm,系统波前差达到全视场平均值1/14λ（RMS）。结果证明：此方法能有效缩短装调时间并达到系统要求的精度指标,对于多镜复杂光学系统装调具有指导和参考价值。     

计算机辅助装调与传统基准传递技术相结合实现三镜消像散系统的装调

为满足复杂航天光学系统对精度的要求,克服传统基准传递技术与计算机辅助装调技术对多于3片反射镜的复杂光学系统进行装调时存在的局限性,提出了两种技术相结合的装调方法。采用提出的方法对三镜消像散(TMA)空间相机进行了装调,结果显示:三镜在Y向和Z向的失调量分别由18.651和9.879 mm降低到1.036和0.102 mm,系统波前差达到全视场平均值1/14λ(RMS)。结果证明:此方法能有效缩短装调时间并达到系统要求的精度指标,对于多镜复杂光学系统装调具有指导和参考价值。     

折衍射混合复消色差望远物镜中的色球差

一个正透镜、一个负透镜及一个衍射光学元件以不同的组合可以构成两种折衍射混合光学系统.当这两种系统消球差、彗差及复消色差后会产生不同的色球差.通过赛德尔像差理论,分析了这两种结构产生不同色球差的原因.计算表明当衍射光学元件以负透镜的平面为基底时产生的色球差为以正透镜的平面为基底时产生的色球差的7倍.对衍射光学元件以负透镜的平面为基底的情形,提出了减小系统色球差的解决办法,使系统色球差减小到0.307 mm.另外设计了一个传统复消色差光学系统,并和折衍射混合光学系统进行了比较,分析表明,衍射光学元件可代替传统光学系统中的特殊光学材料并使系统达到相同的成像质量.最后讨论了衍射光学元件的衍射效率对系统成像质量的影响.     

三点支撑变形对三反射消像散望远镜像散场的影响

为了提高大口径望远镜的装调效率,对具有三点支撑变形的大口径三反射消像散望远镜在装调过程中的像散场分布进行了研究。采用矢量像差理论和孔径坐标变换,分析了在孔径光阑和非孔径光阑处反射镜存在三点支撑变形时,像散在望远镜失调和非失调情况下的分布特性。最后,在光学设计软件CODE V中利用条纹Zernike多项式Z10和Z11来模拟反射镜三点支撑变形引入的面形误差,通过实际光线追迹对像散场分布特性进行了验证。分析结果表明:当三点支撑变形位于主镜(孔径光阑)上时,不会影响望远镜的像散场分布;当三点支撑变形位于次镜或三镜(非孔径光阑)上时,将会产生与视场共轭成线性的像散项,导致望远镜在失调或非失调情况下的像散出现不同的分布特性。在最终装调时,通过分析像散场的分布可对望远镜的装调状态进行定性的分析,从而为大口径三反射消像散望远镜的装配提供指导。     

一种高分辨力空间相机的光学设计

针对某一种光学设计指标要求的高分辨力空间相机,在计算分析光学系统参数的基础上,利用Zemax光学设计软件设计了同轴三反射镜(TMC)系统,二次成像离轴三反射镜(Cook TMA)系统和一次成像离轴三反射镜(Wetherell TMA)系统3种光学系统,均满足了指标要求。对比分析了三种光学系统的优缺点,在综合考虑光学系统的加工、检测和装调能力以及空间相机技术发展先进性的基础上选定了将Wetherell TMA系统作为最终方案,相机外形尺寸为1600 mm×1230 mm×545 mm,系统焦距为4375 mm,相对孔径为1:9.94,视场角为2°。对该光学系统的性能进行了模拟和验证,计算分析了光学系统的传递函数、像差、畸变等,各项指标性能优异,最后对该系统的光阑和杂光消除进行了分析并对光学系统的公差进行了合理的分配。     

基于固定校正元件的椭球形窗口光学系统设计

提出了一种基于非球面固定校正元件的椭球形窗口光学系统设计方法。结合广义科丁顿公式及几何光学原理,推导出非球面校正元件的像散表达式,在此基础上,以消像散和正弦条件作为非球面校正元件像差评价参数,采用最小二乘法拟合出满足消像散及彗差的非球面面形方程。并建立以泽尼克(Zernike)多项式特殊优化函数取代传统的光学系统评价函数,克服了采用传统光学设计方法设计椭球形窗口光学系统时系统评价函数收敛缓慢的问题。成像光学系统设计时通过比对不同材料匹配实现了光学系统的无热化。给出了完整的椭球形窗口光学系统的设计,设计结果表明,系统的调制传递函数在整个扫描视场范围内接近衍射极限。     

偏心和倾斜光学系统初级象差理论的研究

在共轴光学系统波象差的基础上,推导出了光学元件的偏心和倾斜分别对主要象差的影响.得出了除了球差外,每一种象差由于偏心和倾斜都引入了它同种类的象差;小量的偏心和倾斜并不改变系统的球差的结论;如果球差并不为零,将会产生与象高无关的彗差,即轴向彗差等等.     

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…     

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.     

单驱动器变形镜对低阶像差补偿能力的研究

变形镜能够实时校正波前相位畸变,减弱大气湍流的影响,是自适应光学系统的核心器件。单驱动器变形镜通过1个驱动器产生1个模式,恢复波前相位。利用有限元软件,研究了单驱动器变形镜对低阶像差的补偿能力。仿真结果表明,单驱动器变形镜可以对离焦、像散及彗差进行有效补偿,通过控制驱动器的位移,分别实现了对PV值为5 m的离焦、像散和慧差的补偿,补偿后的残差PV值分别为1.5 m、1.6 m和1.2 m,残差的RMS值分别为0.99 m、0.63 m和0.59 m。     

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。     

基于矢量像差的自由曲面光学系统像差特性研究

基于矢量像差理论,提出了以Zernike多项式为表征函数的自由曲面光学系统像差分析方法,推导了在未消像散和彗差的光学系统中引入自由曲面后系统像差解析表达式,利用光学设计软件对远离光阑位置的自由曲面所导致的像差节点分布特性进行了仿真验证。仿真结果与理论推导一致,证明该方法可以用来解析自由曲面光学系统像差。最后,应用该方法设计了含有自由曲面的大视场离轴三反光学系统。系统焦距850 mm,F数6.5,系统在成像视场20°×2°范围内的畸变小于0.25%,成像质量满足使用要求。     

偏轴自由曲面光学系统像差特性研究

基于矢量像差理论,提出了以Fringe Zernike多项式为表征函数的偏轴自由曲面光学系统像差分析方法,推导了偏轴自由曲面系统的三阶像散和彗差解析表达式,分析了自由曲面对偏轴系统像差节点分布的影响。根据像差分布特性,有针对性地选取和优化Zernike系数,设计了一个偏轴两反自由曲面长波红外光学系统,系统有效焦距为500mm,口径为300mm,采用384pixel×288pixel非制冷红外探测器接收,像素大小为25μm。优化后的系统三阶像散和彗差节点被重新移至视场中,平衡了系统偏轴引起的非对称像差,系统成像质量接近衍射极限,满足使用需求。     

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。