温度变化导致航天相机光学系统像面位移的研究

温度变化导致的像面位移会影响航天相机光学系统的成像质量。根据高斯光学理论,推导出了温度变化时的相机光学系统的像面位移公式,确定了温度敏感性最低的主、次反射镜的材料及与之相匹配的镜筒材料。最后计算和比较了在不同温度变化时的光学系统的传递函数。     

多光谱相机光学系统公差分析与研究

光学系统公差的合理制定是影响相机总体性能的主要因素。首先针对光学系统设计的指标要求,综合考虑空间环境适应性、结构布局等因素,采用像方远心光路,设计离轴三反多光谱相机光学系统;运用公差的灵敏度分析和反转灵敏度分析,计算系统内各公差参数对相机各谱段成像质量的影响,给出合理的公差要求及合适的补偿调整参数。按给定的公差要求,加工、装调了具有较高成像质量的光学系统。实验检测结果表明,相机静态传递函数在全视场所有谱段的实测值均在0.243以上,满足指标要求,制定的公差合理、可行,验证了公差分析与研究方法的正确性。     

多视场离轴全反射式光学系统

讨论了以长焦距、宽视场光学系统为应用背景的多视场离轴全反射式光学系统。全反射式光学系统进行离轴使用,可以实现无中心遮拦,能量利用率高。在离轴全反射式光学系统中通过移动或旋转反射镜组可得到多视场离轴全反射式光学系统。分析了多视场离轴全反射式光学系统的设计基础、设计方法及特点,并给出了双视场离轴全反射式光学系统和三视场离轴全反射式光学系统的设计结果。     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40 RMS (λ=632.8 nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60 RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

应用于数字高速成像的离轴光学系统设计

为提高数字高速多幅相机的像面照度,简化光学系统结构,提出一种离轴光学系统设计方法。该系统使用多组相同物镜,采用圆心一组,圆周均匀分布多组的方式平行阵列排布。分布于圆周上的物镜,其像面接收器相对物镜轴心平移离轴,以获得与圆心物镜相同的物面图像。分析了单物镜像面照度、畸变等与视场有关参数对光学系统各像面匹配的影响。在此基础上给出一个5通道离轴光学系统设计实例,系统空间分辨率优于30 lp/mm,畸变小于0.1%,F数2.0。相比目前广泛采用的棱锥、棱镜分幅方式,该离轴光学系统像面照度增加5倍以上,系统结构简易。     

大型离轴三反空间相机前框架优化设计与试验

为了保证某离轴三反光学系统空间相机光机结构的高稳定性与高准确度,针对该光学系统中次镜、折叠镜组件轴向空间位置接近的特点,设计了次镜、折叠镜组件一体化的前框架结构,并提出了一种结合了自由模态与约束模态的拓扑优化方法来优化相机的前框架结构.将优化后的前框架模型带入整个相机,并对整机进行有限元分析.结果表明,光轴呈水平状态,次镜、折叠镜相对主镜的倾斜分别为9″与22.4″,次镜相对于主镜的偏心为0.021mm,均在光学系统公差要求范围内.此外,对前框架结构进行自由模态分析与试验,结果验证了优化方法的正确性.所提出的拓扑优化方法可以有效避免基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷,能够为高分辨、宽视场空间相机光机结构的设计提供参考.     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40RMS(λ=632.8nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

飞轮微振动对空间相机调制传递函数的影响

结合集成建模法和光线追迹法研究飞轮微振动对相机成像质量的影响.采用集成建模法,建立飞轮微振动的扰动模型、卫星和相机的有限元模型,进行瞬态响应分析,得到6个方向力或力矩单独作用下相机各反射镜随时间变化的位移.采用光线追迹法,由反射镜位移和入射光线,根据折射定律计算折射后光线的位置、方向及与光轴的夹角.由得到像面处的光斑坐标和位移,运用运动统计矩计算系统调制传递函数.结果表明:响应周期与激励周期无关;激励的作用时间长度和采样时间长度均会影响调制传递函数;不同方向振动激励造成的调制传递函数变化的大小不同,而不同方向对包含原光学系统的调制传递函数的影响类似仅振动对调制传递函数的影响;当振动分别作用My、Mz值时衰减最大,达到0.1左右.该方法较理论推导简便快捷,能获取微振动与调制传递函数的关系,为系统优化设计和隔振措施提供参考.     

宽光谱高分辨离轴三反光学系统设计

为了解决空间对地遥感光学系统探测波段窄、分辨率低等问题,设计了一款非球面离轴三反光学系统。对计算得到的同轴三反结构进行了视场离轴处理,优化了像差,分析及评价了离轴三反系统的成像质量。设计得到的光学系统分辨率在可见光及短、中波红外波段都得到了提升,分别能够达到2 m、3.3 m以及10 m的地元分辨率,系统三个反射镜面型均为偶次非球面,焦距600 mm,相对孔径1/4.3,视场角8°×4°,最大畸变0.4%。各波段在奈奎斯特频率处的MTF值均高于0.2,且RMS半径满足小于探测器最小像元尺寸的成像要求。实现了高分辨率、宽波段的设计目标所要求的各项指标,从而提升了系统全时间段、全天候的信息获取能力。     

离轴三反测绘相机调焦机构的设计

针对测绘相机对相机成像质量和内方位元素稳定性的要求,在分析3种调焦方式特点的基础上,确定了符合离轴三反测绘相机需要的调焦方式。设计了滚珠丝杠驱动的直线导轨式调焦机构,计算得到调焦机构的灵敏度为0.2μm。对该调焦机构进行了精度检测和试验验证,结果显示其指向精度〈2″,定位精度〈3μm。得到的结果表明：该空间调焦机构具有结构紧凑、刚度高、位移精度好等特点,能够满足离轴三反测绘相机的调焦要求。     

调焦方式对测绘相机主点位置的影响

考虑测绘相机调焦会影响相机的主点位置,从而改变相机的内方位元素,降低立体测绘精度,故本文分析了空间相机常用的3种调焦方式（镜组调焦、平面反射镜调焦、焦面调焦）对测绘相机主点位置的影响。简要介绍3种调焦方式的工作原理,研究了理想情况下3种调焦方式对主点位置的影响。在考虑系统装凋误差的情况下,建立了主点位置变化量与调焦量之间的数学模型,通过实例计算得出焦面调焦易满足测绘相机主点定位精度〈0．2pixel,是最适合的调焦方式。最后,以某一型号相机调焦机构为实验对象,对平面反射镜方式对主点的位置变化进行了实验量测,结果证明了提出的主点位置变化量理论计算公式的准确性和分析得到的不同调焦方式对主点位置影响的正确性,该公式可以用于指导测绘相机调焦方式的选择,以满足高精度测绘的需要。     

三线阵立体测绘相机光学系统的调焦分析

针对三线阵立体测绘相机CCD成像靶面偏离最佳像面位置,影响成像质量的问题,根据光学系统的设计参量,计算测绘相机的调焦准确度,分析像方远心光路对测绘相机调焦准确度及调焦对测绘准确度的影响.结果表明,光学系统的调焦范围为±2mm;当采用像方远心光路,在允许离焦的范围内进行调焦时,产生的投影畸变可忽略不计.调焦后光学系统的成像质量、畸变要求满足高测绘准确度要求.     

基于相位移编码圆的相机离焦快速标定方法

针对大范围视觉系统相机标定难度大、效率低的问题,提出了一种基于相位移编码圆的相机离焦快速标定方法。该方法首先通过相位移编码圆实现离焦状态下的特征点提取;利用标靶空间位置信息构建出单目相机的目标函数,并采用非线性最小二乘法求解相机的内部参数;通过建立双目系统的目标优化函数解析出相机系统的外部参数。该方法无需移动相机或标靶,通过拍摄3幅相位移圆图像,即可完成大范围视觉系统相机离焦状态下的快速标定。经实验验证:标定焦距偏差在0.5%以内,逆向投影误差最大为0.33pixel,解决了大范围视觉系统相机标定难度大、效率低的难题。     

大视场离轴三反光学系统场曲特性与装调方法

基于矢量波像差理论,分析了离轴三反光学系统装调过程中在小量失调状态下的场曲特性,提出了通过倾斜焦面补偿系统失调产生场曲的方法。在此基础上,结合某遥感相机进行了仿真模拟,具体分析了焦面分视场数目与三反射镜安装精度要求的关系,提出了系统装调流程和方法。利用测试相机调制传递函数的方法,对相机的场曲特性进行了测试,并通过修正焦面倾角实现场曲像差补偿。修正后的相机边缘视场调制传递函数得到明显提升,相机各视场调制传递函数均优于0.21。     

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。     

航天鱼眼相机光学系统设计的研究

充分考虑鱼眼相机应用的空间环境特点,设计了一款基于1/3inch(1inch=25.4mm)CCD的航天鱼眼相机光学系统,系统焦距2.1mm,F数为4,视场角为210°,工作温度-40℃～+60℃。重点研究了环境因素对鱼眼相机光学系统成像质量的影响,分别从抗空间带电粒子、抗紫外辐照、温度和气压适应性方面进行了分析和研究,给出了相应的解决思路和方法。相机在严峻的空间环境下具有良好的环境适应性,为在轨获得超广角空域信息提供了保证。     

空间相机光学窗口的热光学评价

光学窗口是空间相机光学系统中直接暴露在轨道热真空环境中的光学元件，所处的热环境非常复杂，要产生温度梯度，从而对空间相机的成像质量和分辨率产生影响，文中结合工程实际，以光学波像差的基本理论为基础对空间相机光学窗口的非轴地称温度场进行了热光学评价，编程计算了空间相机光学窗口在一个轨道周期内各典型位置处的均方波像差，并把计算结果与美国“天空实验室”光学窗口的相应数据进行比较，以验证本文热光学分析的合理性     

空间超光谱成像仪前置光学系统的热光学特性(英文)

分析了空间超光谱成像仪前置光学系统的热光学特性。应用有限元方法建立了模拟前置光学系统的热弹性变形模型,并进行了热弹性分析计算;用Zernike多项式拟合分析结果,求得各镜子反射面在热变形后的面型误差和相对于初始理想位置的偏移;利用光学分析设计软件Code V计算得到光学系统的像面与焦面的偏离量,即离焦量,并用多项式拟合得到其随温度变化的规律。计算结果表明,前置光学系统的像面在温度改变时会偏离焦面,离焦量与温度近似地成线性关系,当温度升高时像面最大偏移量为107.4μm,温度降低时像面最大偏移量为106.9μm。该分析结果可作为指导超光谱成像仪改进热控措施,进行调焦补偿的理论参考。     

离轴四反光学系统反射镜支撑技术研究

为了使一种全新的离轴四反射式光学系统达到很好的光学性能,对在该光学系统中的四个大小形状不一的球面反射镜分别进行了分析。结合反射镜的结构形状和相对位置特点找出了最适合每片反射镜的支撑方案。经过有限元分析进行了辅助设计和优化设计,使各个支撑结构达到了性能最佳、整机重量最轻、公差分配最合理。     

超宽视场离轴光学系统畸变一致性校正技术

为满足海岸带超宽视场和高分辨率的动态监测需求,高分辨率宽覆盖已成为空间光学遥感器的重要发展趋势。HY-1C/D卫星海岸带成像仪采用两台相机组合的方式实现大幅宽,单台相机是32°超宽视场离轴光学系统,相机存在弧形畸变且畸变较大。研究了超大视场离轴光学系统畸变一致性校正技术,提出“多变量仿真-高精密测量-交互迭代”的装调方法,开展了兼顾像质、视轴、畸变的多变量全链路仿真计算,通过高精度畸变测量系统实现了畸变补偿的交互迭代调整,解决了镜头装调阶段畸变不可控的难题,实现双台相机畸变一致性控制精度优于0.1%,完全满足测试技术要求,结果表明方法合理可行。