共形光学设计研究

符合空气动力学的导引头整流罩都是流线型的面型,由于这些面型破坏了光学系统的对称性,与导引头成像光学配合时会带来严重的像差,使成像质量下降。所谓共形光学设计就是在整流罩和成像光学系统之间加入校正系统,用校正系统校正整流罩所带来的像差,以便获得良好的成像质量。介绍了共形光学设计的概念,讨论了设计原理,分析了热变形的影响,并给出了一个设计实例。     

基于反向旋转位相板的共形光学系统设计

在共形光学系统中,椭球形整流罩打破了球形整流罩的旋转对称性,引入了随目标视场变化而变化的动态像差。共形光学设计的主要任务就是消除或者减小椭球形整流罩引入的动态像差,使共形光学系统的成像质量满足使用要求。设计了基于反向旋转位相板的共形光学系统,利用一对反向旋转位相板的反向旋转对目标视场进行动态扫描,利用固定校正器、衍射元件和泽尼克位相板校正了椭球形整流罩引入的动态像差。成像系统采用二次成像的透射式结构,实现了冷光阑效率100%。结果表明:该方法不仅有别于传统扫描方式,而且有效地消除了大长径比的共形光学系统的动态像差。     

利用衍射光学元件进行共形整流罩像差校正的研究

建立了共形整流罩的模型结构，分析了其成像特性，并提出了采用加入衍射元件的方法来设计共形整流罩后的校正板，软件模拟结果表明带有衍射面的校正板能够进一步地改善共形整流罩成像质量. 关键词： 共形光学 整流罩 像差校正 衍射光学     

二次曲面共形整流罩像差影响因素分析

传统整流罩为半球形或半球形的一部分,产生的空气阻力较大,不利于武器飞行速度的提高。基于空气动力学性能的考虑,采用共形整流罩的光学技术被提出。文章描述了二次曲面共形整流罩外表面、内表面的设计方法及面型表达式,通过在CODEV中建立共形整流罩的扫描成像模型,应用Zernike多项式分解法研究了不同长径比、边缘斜率、口径比和回转中心位置对离焦像差(Z4)、像散(Z5)、彗差(Z8)和球差(Z9)的影响规律。研究结果表明:二次曲面共形整流罩引入的离焦像差、像散、彗差和球差均随着长径比、边缘斜率和口径比的增加而增大,但对成像系统回转中心的位置不敏感。因此,在满足武器的空气动力学性能条件下应尽量减小长径比、边缘斜率和口径比,回转中心的位置主要根据结构需要进行设计。     

消像差条件在共形光学系统中的应用

根据轴对称光学系统中的消像散条件探讨了共形整流罩结构中消像散万向节点位置的存在性.在此基础上,对共形光学系统中消像差万向节点位置进行了理论推导.软件分析结果表明,轴对称光学系统消像差条件对于共形光学系统的设计仍有良好的指导意义,由此得到的"消像差"共形光学系统的残余像差已处于实际成像系统的像差校正能力范围之内.     

基于固定校正板和透镜阵列的机载共形窗口像差校正

为了校正大扫描视场机载共形窗口引入的像差,提出一种基于固定校正板和透镜阵列的静态校正方法。首先使用固定校正板校正静态像差;然后在像面前安置固定的透镜阵列,利用透镜阵列中的各个透镜单元分别校正不同扫描角度的动态像差;最后基于所提方法设计应用在机载共形光学系统中的像差校正器。设计结果表明,所提方法在±42°的扫描视场范围内能够良好地校正共形窗口引入的像差。与其他动态或静态校正方法相比,所提方法可以实现大扫描视场机载共形光学系统像差的校正,同时降低机载共形光学系统的质量,提高系统的稳定性。     

二次曲面共形光学整流罩面型设计

椭球形整流罩产生较大的空气阻力,限制了精确制导武器的作战性能。以减小空气阻力为主要目标,针对二次曲面共形光学整流罩进行研究,设计综合性能较为完善的整流罩面型。应用计算流体力学方法,计算了共形整流罩的空气阻力系数,建立了共形整流罩空气阻力评价函数。基于光线追迹理论,以不同目标视场下的平均波前误差作为像质评价指标,构建了共形整流罩像质评价函数。以雷达散射理论为基础,计算了整流罩的雷达散射截面积,给出了共形整流罩雷达散射特性评价函数。结合空气阻力、光学成像质量和雷达散射特性,建立了二次曲面共形整流罩综合性能评价函数,确立了长径比为1.5的抛物线型整流罩具有较好的综合性能。相比椭球形整流罩,该抛物线形整流罩减少了约1/3的空气阻力。     

共形整流罩像差特性分析及校正方法

共形结构不仅具有良好的空气动力学性能,且不存在由于表面不连续造成的热梯度等问题,因而采用该结构的导弹整流罩更有利于导弹系统作战性能的提高。但共形结构中采用的非球面罩曲面使整流罩表现出许多不同于球形结构的动态特性,这给导引头中光学系统的设计带来很多困难。在分析共形结构一阶特性的基础上,利用矢量像差理论详细分析该结构中初级像差产生的原因及特点,并提出通过控制元件的倾斜和偏心来平衡所有观察视场中像差的方法。软件分析结果表明：加入倾斜偏心元件后可适当放大小观察视场中的像差,共形整流罩在各观察视场中具有较为稳定的像差特性,有效地改善了该结构的成像质量。     

红外共形整流罩热噪声分析与修正

飞行器在大气层中超音速飞行时,被气动加热的光学整流罩产生强的红外辐射,降低了红外目标的跟踪识别能力。分析了共形光学系统整流罩热噪声的产生机理,利用红外黑体,对320K~460K的整流罩热噪声进行了测试。利用二元非线性回归分析法确定了二次曲面作为噪声修正模型,其曲面拟合的决定系数均值达到0.8683。在整流罩温度从460K下降至320K的过程中,对1K温差的靶条成像,图像信噪比均值为7.2dB。利用噪声修正模型对图像进行噪声修正后,图像信噪比均值提高至13.7dB,使红外图像信噪比提高了6.5dB。该结果为导引头目标识别跟踪系统的设计和光学系统的优化提供了部分依据。     

Conformal optical system design with a single fixed conic corrector

A conformal optical system refers to the one whose first optical surface conforms to both aerodynamic and imaging requirements. Appropriate correction is required because a conformal dome induces significant aberrations. This paper intends to explain that an effective solution to the easy-fabrication conic surface corrector compensates aberrations induced by a coaxial aspheric dome. A conformal optical system with an ellipsoid MgF₂ conformal dome, which has a fineness ratio of 2.0, is designed as an example. The field of regard angle is pm 30 degrees with a pm 2 degree instantaneous field of view. The system's ultimate value of modulation transfer function is close to the diffraction limit, which indicates that the performance of the conic conformal optical system with a fixed conic corrector meets the imaging requirements.     

利于像差校正的共形整流罩内表面面形设计

共形光学系统中,椭球形等厚度整流罩使入射的平行光线经过整流罩后不再平行,变为发散的光线,进而使系统像差急剧增加,不利于后续像差的校正。通过对等厚度共形整流罩的内表面进行重新设计,打破了共形整流罩的等厚度条件,从而在使用较少校正光学透镜的基础上实现了系统像差的校正。通过分析不同级次非球面分别作为整流罩内表面面形时的像差校正效果,确定了将6次非球面作为共形整流罩内表面面形初始结构。通过对内表面进行优化设计,最终得到整流罩内表面面形。结果表明,该方法有效地减小了共形整流罩引入的像差。最后使用固定校正器对内表面变化后的整流罩进行了像差校正,设计结果表明,内表面的改变有效地减少了光学元件数量,消像差效果良好。     

特殊整流罩窗口的非对称像差研究

分析了居中球形整流罩的波像差和偏心球形整流罩的波像差。为了分析共形整流罩的一般像差特性,建立了不同类型的整流罩模型,重点分析了像散和彗差,讨论了一阶和五阶像差,并与球形整流罩和偏心球形整流罩的相应像差做了比较。分析了长宽比、边缘厚度与顶点厚度比对像差的影响。     

A high precision phase reconstruction algorithm for multi-laser guide stars adaptive optics

Adaptive optics(AO) systems are widespread and considered as an essential part of any large aperture telescope for obtaining a high resolution imaging at present.To enlarge the imaging field of view(FOV),multi-laser guide stars(LGSs) are currently being investigated and used for the large aperture optical telescopes.LGS measurement is necessary and pivotal to obtain the cumulative phase distortion along a target in the multi-LGSs AO system.We propose a high precision phase reconstruction algorithm to estimate the phase for a target with an uncertain turbulence profile based on the interpolation.By comparing with the conventional average method,the proposed method reduces the root mean square(RMS) error from 130 nm to 85 nm with a 30% reduction for narrow FOV.We confirm that such phase reconstruction algorithm is validated for both narrow field AO and wide field AO.     

Configuration optimization of laser guide stars and wavefront correctors for multi-conjugation adaptive optics

Multi-conjugation adaptive optics(MCAOs) have been investigated and used in the large aperture optical telescopes for high-resolution imaging with large field of view(FOV).The atmospheric tomographic phase reconstruction and projection of three-dimensional turbulence volume onto wavefront correctors,such as deformable mirrors(DMs) or liquid crystal wavefront correctors(LCWCs),is a very important step in the data processing of an MCAO's controller.In this paper,a method according to the wavefront reconstruction performance of MCAO is presented to evaluate the optimized configuration of multi laser guide stars(LGSs) and the reasonable conjugation heights of LCWCs.Analytical formulations are derived for the different configurations and are used to generate optimized parameters for MCAO.Several examples are given to demonstrate our LGSs configuration optimization method.Compared with traditional methods,our method has minimum wavefront tomographic error,which will be helpful to get higher imaging resolution at large FOV in MCAO.     

自适应光学波前校正器

报告了自适应光学波前校正器——多元分立式压电变形反射镜和两维高速压电倾斜镜的研究工作。讨论了这两类波前校正器的主要性能及其检测方法等，并给出了若干典型的检测结果。研制的１９单元度形镜已成功用于ＩＣＦ驱动器的波前校正，而２１单元变形镜已成功用于天文观测星体成像校正     

用于开环液晶自适应光学系统的模式预测技术研究

时间延迟误差是液晶自适应光学系统的一个最主要的误差源. 本文提出了一种利用智能模式预测-----迭代最小二乘(RLS)模式预测算法来克服其对成像分辨率的影响. 首先, 介绍了具有RLS模式预测能力的开环液晶自适应光学系统的结构和工作原理. 其次, 详细讨论了RLS模式预测算法的实现过程. 再次, 设计和搭建了一套带有液晶湍流模拟器的开环液晶自适应光学系统, 对RLS模式预测算法的预测效果进行了分析, 并和直接开环校正做了比较. 分析结果表明: 当系统处于中等强度湍流条件(大气相干长度r₀=6 cm, Greenwood频率f_G=35 Hz)和只有时间延迟误差情况下, 经过RLS预测后, 残差波面的RMS值由直接校正的0.26波长(1波长=785 nm)降低到了0.15波长, 校正效果提高了42%. 最后, 对预测前后自适应光学系统的成像效果进行了对比试验. 实验结果显示, 经过预测以后, 系统的成像分辨率由直接开环校正的25.4 cycles/mm提高到了32.0 cycles/mm, 成像分辨率提高了26%, 达到了0.9倍的衍射极限分辨率. 因此, RLS模式预测技术可以有效的提高开环液晶自适应系统的成像分辨率.