失调卡塞格林光学系统像差特性的研究

以矢量波像差理论为基础,对卡塞格林光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调的卡塞格林系统不会引入新的像差,只是会导致三阶像差在像面上的分布发生变化,球差在全视场内为常量,彗差零点不再位于视场中心,像散在视场内存在两个零点且不再关于中心视场对称。在校正失调产生轴上彗差的情况下,卡塞格林系统的一个像散零点位于轴上视场,轴上视场的像差接近于零,但是边缘视场的像散依然较大,因此在卡塞格林系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差来确定系统的装调状态。利用CODE V 对失调卡塞格林系统的像差在视场上的分布进行仿真,结果表明利用矢量波像差理论可以对失调卡塞格林系统的像差进行定性分析,以提高卡塞格林系统的装调效率。     

几种失调反射光学系统的波像差特性

为了描述失调状态下反射光学系统在整个像平面中的波像差分布特性,从而对反射光学系统进行有效的装调,对偏心和倾斜影响下的几种反射光学系统的三阶彗差和三阶像散进行了研究。首先,对失调光学系统三阶波像差的矢量形式进行了推导。然后,对失调状态下经典Cassegrain系统、Ritchey-Chrtien系统和三反射镜消像散系统三阶彗差和三阶像散的分布情况进行了分析,并且对两反射和三反射系统的装调进行了简要的讨论。使用Zernike多项式对视场中各个位置的波像差进行拟合,分离出三阶彗差和三阶像散并进行了全视场显示。理论分析与实际拟合结果一致,说明结论是正确的。     

离轴反射光学系统像差特性研究

以轴对称光学系统的初级矢量波像差理论为基础,通过引入孔径缩放因子和孔径偏移矢量,获得了离轴反射光学系统初级像差特性。通过分析可知:离轴反射光学系统的初级像差依然由球差、彗差、像散组成。由于孔径缩放因子存在,离轴反射光学系统的波像差系数均有不同比例的减小,且轴对称光学系统的高级孔径像差会在对应离轴光学系统中引入较低阶孔径像差,例如轴对称光学系统未校正球差,对应的离轴光学系统除过球差外还将引入彗差、像散等。相比于轴对称光学系统的像差,由于孔径偏移矢量的引入,离轴反射光学系统的像差不再关于中心视场旋转对称,有可能在轴外视场产生像差零点。     

基于像差特性分析的光学系统横向失调校正方法

在高分辨力光学系统中,光学元件偏心引起的光学系统初级像差特性已经成为系统设计和装调必须要考虑的因素,文中拟从分析透镜横向失调量对像差影响的基础上,提出了一种考虑像差特性影响的光学零件装调校正方法。在考虑光学元件偏心对像差的影响的情况下,推导了光瞳中心位置和像面中心位置随透镜偏心程度的变化,建立了光学系统失调校正量和像差增量之间的数学关系,提出了一种基于像差理论的透射式光学系统横向失调校正方法,可以弥补现有高斯光学校正方法的不足。以三透镜准直系统为例,利用ZEMAX软件仿真验证了文中方法的有效性,实验表明该方法所选择的调整方案在所有调整方案中引起的像差增量最小,降低了校正过程中对光学系统成像质量的影响。     

带像差补偿的光盘像散自动调焦透镜设计

对光盘光学头检测光路中广泛使用的光学平板所引入的光学像差进行分析计算,并由 此设计了一种放置于光盘光学头检测光路中的用以产生聚焦误差信号的像散透镜。它不但可以产生正常的调焦误差信号,同时还可以补偿由斜放入检测光路中的光学平板所带来的光学像差。经过实际应用,证明这种结构完全能够满足高密度光盘光学头的技术要求。     

校正半导体激光束像散的波像差方法

利用波像差方法研究半导体激光束的传输变换特性,推导出用于校正半导体激光束像散的柱面透镜的正确设计公式。     

考虑像差影响的透射式光学系统失调校正方法

随着高分辨力光学系统应用领域的不断拓展,光学元件的高精度装配要求和高精度的设计要求一样,已成为光学系统分辨力的决定性因素。现有的高斯光学校正方法仅考虑物像位置关系的调整,已不能满足光学系统的调整要求,光学仪器的调整理论需要同步发展。考虑像差对光学系统失调的影响,提出了一种基于像差理论的(透射式)光学系统失调校正方法:分析了单透镜轴向位移引起的像差变化规律,给出了像差影响系数的定义;在此基础上,通过反演计算像面位置误差和放大率误差所需的透镜调整量,数学推导出了基于像差约束条件的光学系统失调校正公式。以三透镜准直系统为例进行了仿真实验验证,证明了将像差约束引导到校正方法中,能够同时满足高斯光学特性的要求和像差增量最小的要求。     

离轴三反望远镜主镜和三镜面形误差补偿机理

为保证大口径离轴三反消像散(Three-Mirror Anastigmat,TMA)光学系统在轨成像质量,探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理,以矢量像差理论为基础,用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差,并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现,位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散;提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式,以系统出瞳波像差RMS值为评价标准,构建离轴TMA系统像差补偿模型,利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时,所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ;系统三镜存在0.05λ像散与彗差时,可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ,且当三镜面形误差在(-0.03λ,0.03λ)范围内时,可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值,使系统成像质量满足要求,为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。     

面型误差和失调量对同轴三反系统像质的影响

应用于对地观测的高分辨同轴三反式系统对光学装调有着严格的要求,光学元件的失调量和由装配应力导致的面型误差都会严重影响系统成像质量。该方法通过镜面受力分析和光学系统仿真指导系统装调,以某商业遥感卫星搭载的同轴三反式镜头装调过程为例,分析失调量和面型误差的像差特性。通过分析光学元件失调量和面型误差与系统像散、彗差以及球差的关系,并利用系统波像差的均方根（RMS）作为系统像质的评价标准,得出各个光学元件失调量和面型误差对系统成像质量的影响权重。根据计算结果进行针对性调校,使系统各视场的平均RMS值收敛为0.06以下。经过多台同类镜头装调结果验证,证明该方法切实有效,可缩短装调周期,提升装调精度。     

探测器光学系统反常区的像差特性及应用

分析浸没透镜、场镜单折射球面反常区及半反常区的像差特性,说明利用反常区和半反常区的像差对红外物镜像差的校正原理。     

光学系统偏振像差的实验分析

为了验证高数值孔径、大入射角、宽光谱的空间光学系统中偏振像差的存在,在激光数字波面干涉仪上对偏振像差进行了实验研究并做了数据分析.论述了偏振像差的两种计算方法,即偏振像差函数的二次扩展式和偏振光线追迹.用软件对激光数字波面干涉仪光学系统分别进行普通光线追迹和偏振光线追迹,PV值增加了33.59%.然后在该系统上对偏振像差进行了实验研究,PV值增加了34.48%.可以看出二者基本吻合.第一次在激光数字波面干涉仪上模拟了空间光学系统,并通过实验证实了改变入射光的偏振态可以改变系统的偏振像差.将实验测得的结果和软件模拟的结果比较后证实了光学系统中偏振像差的存在.     

高精度透射式空间光学系统装调误差分析与动态控制

高分辨率对地观测对航天遥感器的成像质量提出了严格的要求,装框应力和偏心误差是影响大口径高精度透射式光学系统装调质量的重要因素。首先,在理论上分析了透镜装框应力的影响,实验测量了不同装调应力下的透镜面形,分析了装框应力对系统光学传递函数(MTF)的影响。然后,对光学元件的装调偏心误差进行了研究,测量了一个偏心系统的波前干涉图,分析了偏心导致的光学系统像差,仿真计算了不同透镜偏心误差对像差和MTF的影响。介绍了一种在偏心误差小量超差的情况下,利用中心偏测量仪、干涉仪的测量数据对光学系统进行实时仿真,动态控制装调质量的方法,并在实验上对预估结果进行了验证。结果表明:高精度透射式光学系统装调过程中光学偏心和应力导致的面形变化是影响光学系统质量的主要因素,偏心误差的影响大于应力的影响,不同透镜偏心误差对系统质量有着较大的差异且相互补偿。仿真预估方法能够在装调公差日益苛刻的情况下动态评定各误差间的相互影响与补偿,实时评价光学系统的质量,提高装调效率。     

波前编码离轴三反光学系统图像复原

渡前编码技术是一种新兴的"光学-数字"一体化成像技术,可以使光学系统在保持相对孔径及视场角不变的情况下将焦深扩展至原来的10倍左右.然而这种焦深扩展是以降低图像质量为代价的,因此,要通过数字图像处理的手段对由CCD直接采得的图像进行复原,使最终图像质量接近正常水平.介绍了一种针对这类图像的全新的图像复原方法,通过光学设计软件来求取复杂的点扩散函数,在复原过程中引入了正则化因子.应用该方法并对由一个应用波前编码技术的离轴三反光学系统所成的模拟像进行了复原,得到了很好的效果,复原图像的NMSE优于0.019,PSNR优于23.7.而且修改滤波器的某些参数可以使复原图像更适合于人眼观察.     

利用后置式固定校正板进行共形光学系统像差校正

共形整流罩具有良好的空气动力学性能,但非球面的外形引入了随观察视场不断变化的非轴对称像差,通常采用固定校正板和动态校正机构来补偿各观察视场中整流罩引入的大像差和动态像差。为避免动态校正机构对系统稳定性造成的影响,提出了将固定校正板置于实际成像系统后或实际成像系统中的大像差和动态像差的补偿校正方案。软件模拟结果表明:将折衍混合固定校正板后置的折反式共形光学系统模拟结构能够获得动态范围仅为0.12个波长的点斑设计结果,且系统避免了动态像差补偿机构的使用,有利于稳定性的提高。     

结合矢量像差理论的离轴三反红外光学系统设计

多谱段、大相对口径、大视场红外光学系统具有探测精度高、噪声低、能够以凝视方式获取大场景红外图像等优点,因此成为光学系统设计的一个重要研究方向。文中介绍了此类系统的一般设计思路,提出了一种结合矢量像差理论的离轴三反红外光学系统的设计方法,该方法能够大幅度提高系统的设计效率。给出了一个设计实例,其焦距值为90 mm,F数为3.0,视场角为20°×20°,能够在中波红外和长波红外两个波段清晰成像,并且在各个视场下的MTF都能够达到或者接近衍射极限,该设计实例验证了该方法的有效性和可行性。     

红外显微光学系统的小像差互补设计方法

针对显微系统具有高分辨率与高成像质量的要求，其系统一般片数多装调困难，导致系统存在实际的装调效果与设计结果之间难以匹配的问题，因此提出了小像差互补的方法对系统进行设计。首先，建立基于小像差互补设计方法的数学模型，然后将其编写为可用于控制ZEMAX软件的宏语言(ZPL)，再对光学系统进行优化设计。最后以一红外显微光学系统为例，对比小像差互补设计方法使用前后的优化结果，对小像差互补设计方法进行了验证，发现应用小像差互补设计方法的光学系统，总体成像质量具有突出优势，各元件的公差敏感性明显降低，整体光学系统的稳定性得到了有效提高。     

矢量波像差理论在无遮拦三反光学系统设计中的应用

传统的无遮拦三反射镜光学系统设计是先设计轴对称反射系统,然后通过偏光瞳、偏视场或者两者结合的方法来实现系统无遮拦设计,系统中不可避免地用到了离轴非球面反射镜。以矢量波像差理论的相关结论出发,将反射镜的倾斜作为系统的优化变量,利用轴对称非球面反射镜实现了无遮拦三反射系统的设计。分析了此种系统的设计思路及步骤,设计了焦距为1 000 mm、视场角为1020、F数为10的三反射镜光学系统,系统结构紧凑,成像质量接近衍射极限。该系统与其他无遮拦三反光学系统相比,最大的优点是系统中的非球面均为轴对称反射面,极大地降低了系统成本。     

基于像差共轭组合模型的自适应光学系统控制方法

在单位圆的同心孔径圆域内,某些特定Zernike模式具有相关关系,其中具有较强负相关关系的模式组合在一定系数条件下叠加后,一定的同心孔径内的像差会相互抵消,波面变得更加平坦,这称为模式间的共轭性。文中设置了一组畸变波前,用自适应光学系统进行校正得到残差,然后用Zernike多项式对变形镜的校正残差进行了分解,通过分析首次发现在均方误差值较大的残差波前中,低阶、高阶两部分像差间存在着明显的负相关关系,两部分像差的系数会随着变形镜控制信号的调整体现出有规律的变化,并且在一定的系数组合方式下,这两部分像差呈现出共轭性。基于以上研究结果,提出一种控制方法,该方法通过优化变形镜控制电压来调整镜面面型,使得残差中的低阶、高阶两部分像差系数实现最佳匹配,从而降低光瞳同心孔径圆域内的像差均方根值 (RMS),最终实现该孔径范围内系统成像质量的提升。分别针对点目标成像和扩展目标成像进行了仿真,结果表明:该方法相比于传统闭环共轭式校正方法,在面对复杂像差时能够得到质量更好的光学成像,有效扩展传统自适应光学系统的适用范围。这种控制方法在变形镜有较大拟合残差的场合具有很好的应用前景。