共形光学头罩及其像差校正方法研究——综述

为了使高速红外光电制导导弹拥有良好的空气动力学性能,可以采用共形头罩来代替传统的球形头罩。根据共形光学校正元件的不同,归纳整理了七种不同的校正方案。其中,轴向平移相位板、反向旋转相位板、尼克泽楔形板和变形镜属于动态校正;固定式校正和拱形校正属于静态校正;还有一种为静态和动态相结合的校正方案。着重讨论了固定式校正方法,并给出了几种常用的校正表面类型。共形光学是高速红外光电主动制导导弹发展的关键技术之一,对其研究工作具有重要的现实意义。     

超音速共形光学系统动态热差实时校正研究

随着科技的发展,高速度飞行器对成像质量的要求越来越高。研究了含共形整流罩系统在超音速飞行时由于摩擦生热对其产生的光机性能影响,设计了应用长径比为1的共形整流罩的共形光学系统,系统采用楔形镜进行视场扫描,瞬时视场2=4,扫描视场2=60,完成了速度为3Ma、攻角为0共形整流罩空气动力学仿真实验,得到了共形整流罩在超音速飞行情况下的表面温度分布值,通过流固耦合,计算出整流罩在高速飞行时不同时间段的面型变化量。通过拟合,将热形变量以Zernike系数的形式施加到共形光学系统中,观察其对成像质量的影响。结果表明:共形整流罩在飞行中所引入的动态像差会对光学系统的成像质量产生影响。为保证系统精度,文中通过采用空间光调制器（Spatial Light Modulator,SLM）对不同时刻的像差进行校正,校正后系统成像质量接近衍射极限,实现了对共形光学系统在高速飞行下所产生的动态热像差进行校正,对高精度飞行器有着重要科学意义。     

共形光学系统消色差设计

设计了一个红外波段消色差共形光学系统.共形整流罩采用流线型几何外表面,能够有效减少空气阻力,提高导弹飞行性能.但是上述表面破坏了球形整流罩的点对称几何特性,使该系统具有大倾斜、大偏心光学特性,引入依赖于目标视场和瞬时视场的动态像差特性.已报道的文献都是针对单色像差校正问题,而对于大目标视场下单色像差与色差校正难点一直没有相关研究报道.基于实际光线追迹结果、通过衍射元件色散特性和构建适当的光学系统结构,克服了导引头内部有限的空间限制,实现了系统消色差设计.最后设计实例结果表明,系统在整个目标视场范围内均得到较好的成像质量.     

基于非球面固定校正镜的共形光学系统设计

设计了一种使用固定校正器进行像差校正的共型光学系统,固定校正器采用大口径非球面透镜,对各子跟踪场的像差进行了严格校正.位于固定校正器后的成像系统进行回转跟踪时,搜索角度最大可达±80°,成像质量较好,且不会产生半球形整流罩光学系统在大角度搜索时容易出现的挡光现象.光学系统光阑与探测器冷屏重合,冷光阑效率达到100%.     

单一反射镜和两透镜无光焦度校正板的光学系统的像差特性分析

讨论了由单一二次反射镜和放在其后的两透镜无光焦度校正板组成的光学系统的像差特性，根据像差理论分析了消像差的条件，研究了遮拦比和无光焦度校正板单透镜的光焦度对系统性能的影响，并给出了遮拦比和无光焦度校正板单透镜的光焦度的最佳选择范围。     

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。     

采用相位板的中波红外共形光学系统设计

为了满足现代军事装备中的侦查需求,提出了一种新型的红外共形成像光学系统,在消除光学头罩引入的复杂像差过程中,采用一对轴向移动的相位板来实现像差动态校正.给出了一个红外共形成像光学系统设计实例,其工作谱段为3.7μm～4.8μm,焦距为40mm,长径比为1.0,瞬时视场为2°,扫描视场为±15°.结果表明,在奈奎斯特频率...     

双贴合无光焦度校正板在主反射镜前的两镜系统的像差特性

在光学系统中特别是反射系统中经常通过加无光焦度校正板来减少或消除其他元件所产生的像差。讨论了双贴合无光焦度校正板放在主镜前的双反射球面系统，根据像差理论分析了消像差的条件，研究了系统中各种参数的变化对系统高级残余像差的影响。结果表明主镜的相对孔径越大，系统的残余像差增加；正透镜在前的校正板结构优于负透镜在前的结构；选择合适的校正板单透镜的光焦度，可使系统的高级残余像差最小。     

共形整流罩技术研究

由于共形光学技术对红外制导导弹的空气动力学性能提高明显,近年来对该领域研究的投入不断加大,文章通过对比安装有共形整流罩导弹与传统导弹的作战性能,说明了共形光学技术在提高导弹机动性和隐身性方面的优势,论述了共形光学研究领域的难点问题,详细介绍了固定校正器、反向旋转位相板、可变形性反射镜等几种设计方案,用于消除共形整流罩随扫描视场变化的像差,并对各方案的优点与不足进行了讨论,简单介绍了共形光学零件加工与检测技术,最后对共形光学的未来进行了展望。     

无光焦度校正板的在主镜前牛顿光学系统的设计

详细描述了光阑在主反射镜前的无光焦度校正板 - 牛顿光学系统的设计方法.通过移动光阑位置,改变主镜偏心率,选择校正板光焦度,进行光学系统的光线计算,求解出光学系统的最佳选择,并给出各种设计曲线和设计结果,对光学系统进行合理的评价.并以通光口径φ=300,相对孔径A=1/2,视场角θ=±5°,校正板光焦度ψ<,11>=5的牛顿光学系统为例,分析得到系统优化后的像差系数S<,1>=0.000002λ,S<,2>=0.000025λ,0°视场时的波像差为0.3174λ,±5°视场时的波像差为90.9861λ.     

含特殊整流罩的红外光学系统设计

提出了一种有效的特殊整流罩及其像差校正器的设计方法,运用Wassermann-Wolf微分方程组(W-W方程组)的原理,通过在商业光学设计软件中编译宏程序曲面拟合的方法得到校正器最佳面形,从而可以校正整流罩引入的球差、彗差,使系统成像质量得到较大的改善.文章在基于W-W方程的基础上,针对应用于红外系统的特殊整流罩做了实际方案设计,研究的光学系统工作谱段为中波红外,视场大于3.5度,F数F/1～F/2.5,系统采用了复杂化的R-C系统,最终成像质量达到衍射极限,可以满足特殊条件下的红外谱段成像要求,具有较高的实用价值.     

共形光学系统设计研究

设计了一个红外波段共形光学系统,并提出了整体解决方案.共形光学系统具有大偏心、大倾斜光学特性,因其特殊的光学结构须用瞬间视场和目标视场两个视场参量来描述,像差同时随两视场的变化而变化,使系统设计难度大幅增加.通过建立扩展形式的Wassermann-Wolf曲面结构、建立实际光线追迹模型与Zernike多项式模型相辅相成的像差评价体系,提出了共形光学系统整体设计方案,并给出了设计实例.实例结果表明,系统在整个目标视场范围内均得到较好成像质量.     

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.     

基于自动控制理论的自适应光学控制系统优化

为了满足自适应光学系统实时快速的工作要求,将自动控制理论引入到自适应光学系统中,在不改变系统硬件性能的基础上对系统的控制部分进行了研究。首先,对自适应光学闭环控制系统进行分析,将其模块化并建立相应的数学模型;其次,在自动控制理论基础上设计控制器和相应的控制算法,并分析了控制器的性能;最后,将自动控制理论的控制方法与人眼波前像差校正相结合,使控制算法应用到自适应光学系统波前像差的校正中。结果表明,相对于传统的自适应光学系统控制方法（纯积分控制和比例-积分控制）,Smith预补偿控制使自适应光学控制系统具有较高的闭环带宽和较好的动态、稳态控制性能;在模拟人眼波前像差迭代校正过程中,Smith预补偿控制器校正残余像差的快速性最好;在实际人眼动态像差校正中,Smith预补偿控制校正的残余像差值达到最小,有利于自适应光学控制系统优化。     

小型化人眼像差校正仪光学系统设计

为了实现活体人眼视网膜的高分辨率成像,需要实时校正人眼的动态变化像差,尤其是高 阶像差.设计了一套基于液晶空间光调制器的小型化人眼像差实时校正光学系统.该光学系统分别采用夏克-哈特曼波前传感器和液晶空间光调制器来探测和校正波前畸变.探测光采用790nm近红外光,成像光采用570nm可见光.系统设计尽量少采用透镜,减小了系统的体积、光能损失和系统自身可能引入的像差.使用开环模式可以提高光能利用率和系统的稳定性,而双波长模式可以增大视场,实现不同波长的成像,而且可以实现瞬间强曝光成像.用ZEMAX软件对光学系统进行模拟分析,表明该系统可以达到衍射极限的水平,MTF=0.5@31 cycles/mm(对应视网膜上4μm),MTF=0.3@48 cycles/mm(对应视网膜上2.6μm).实验结果证明:该系统光能利用率高,杂光干扰小,方便灵活.     

变焦距共形红外光学系统的设计研究

提出一种双视场共形红外光学系统的设计方法,该光学系统采用二次成像的光学结构形式与轴向移动式的视场变倍方式,在共形窗口的基础上利用变焦原理完成系统的设计。系统主要光学参数F/#为4,变倍比为3∶1,工作波长为3.7～4.8μm,采用椭球型窗口。设计结果表明,系统成像质量良好,并满足100%冷光阑效应。