空间望远镜主镜的热光学特性分析

主镜是空间望远镜光学系统的重要组成元件,其热光学特性将为光学系统的热控设计提供依据。利用建立在集成分析基础上的热光学分析方法,分析了某空间望远镜主镜在三种不同的温度分布形式,即在径向温度、轴向温度、周向温度梯度的作用下对光学系统成像质量的影响,结合设计的要求,根据计算结果给出了许用温度梯度的范围。     

分块拼接望远镜的数值仿真

为了更好地了解拼接望远镜光学系统的光学性能,对拼接主镜中分块镜的各种误差对望远镜光学系统的影响进行有效的分析计算。从几何光学入手,采用光线追迹方法,建立了拼接望远镜光学系统的数值仿真模型。利用该模型,可以模拟不同口径和分块镜数拼接望远镜的光学系统;可仿真分析拼接主镜中分块镜由于轴向平移、倾斜、旋转和径向平移等各种误差引起的波像差以及对远场图像的影响。并计算了不同误差项对光学系统斯特雷尔比的影响,为发展大口径望远镜提供技术支持。     

傅里叶望远镜光学系统装调及外场成像实验

提出傅里叶望远镜外场成像实验的光学系统组成,详细介绍光学系统的装调和检测过程,并对模拟目标进行成像实验。采用3束不同频率的激光照射模拟目标并在目标表面形成干涉条纹,利用拼接主镜接收散射回波能量,再经次镜汇聚,最后进入压缩透镜组被光电倍增管探测。实验结果表明:主镜支撑结构稳定性优于0.075 mrad,子镜指向调整精度优于0.05 mrad,对安装的61块子镜进行共焦试验,光斑质心重合精度小于20 mm。最后,对3 mm的模拟目标进行外场成像实验,结果表明:室外环境下傅里叶望远镜的成像效果与实验室内成像效果及计算机仿真结果吻合较好,为后续反射模拟目标的成像提供了参考。     

同轴五反大视场多目标三维成像光学系统设计

对于远距离、大视场、多个运动目标的光电跟踪,现有光学系统形式难以同时兼顾大口径、大视场与高角分辨率的要求。通过模仿人眼小凹转动视觉生理机制,设计了一种轻型物方扫描校正镜组,具有中红外成像与激光测距的共口径同轴五反式新型光学系统。该光学系统主镜口径为1000mm,瞬时扫描有效口径为600mm,最大视场角达到20.7°,中波红外成像传感器像元角分辨率优于13!rad,激光测距单元作用距离达到20km。该新型光学系统具有大视场范围,可同时对6个以上远距离高速运动目标进行跟踪。     

旋转平行光管主镜背部柔性支撑设计与仿真分析

针对光学动态靶标进行光电跟踪光端机的跟踪精度的测试时,旋转的光电平行光管由于离心场的存在导致主镜面型误差过大的问题,提出了一种基于挠性梁减小旋转平行光管离心工况下主镜面型误差的方法。文章首先针对主镜支撑点径向位置最优布局进行求解,其次在Isight优化平台上对主镜背部支撑挠性梁的关键设计参数进行尺寸优化,最终利用Sigfit软件分析了离心工况下主镜面型误差。采用优化后的主镜支撑方案,反射镜在1.64g离心力作用下,主镜面型精度RMS优于0.03λ(λ=632.8nm),组件一阶固有频率为167Hz。采用4D干涉仪对平行光管的波像差进行检测,检测结果表明,平行光管光机系统的波像差RMS值优于0.067λ。经过仿真分析与检测实验证明,采用挠性支撑的旋转平行光管镜的动态刚度与面形精度满足光学动态靶标的应用要求。     

光电经纬仪主镜面形变化的有限元分析

为了从整体上了解装配支撑系统后主镜面形变化情况,采用有限元分析方法对某光电经纬仪主镜系统结构进行了分析.在不同倾角下分析镜面及其支撑系统的自重变形,得出镜面及其支撑系统在各个俯仰高度上的变形位移.分析结果表明,在各个倾角状态下,主镜在Z方向上位移较大,最大达1.4 μm,造成镜面反射面平移,对反射面焦距有影响;X方向为旋转轴方向,变形较小,为0.01";Y方向为镜面倾斜方向,变形在0.5"左右,造成镜面弯曲.     

近紫外天底成像光谱仪结构设计

针对大气环境监测和预报的需求,设计了一种满足光学系统要求的近紫外天底成像光谱仪.首先根据给定的光学系统,设计了设备的总体构形,对主镜和次镜进行了变密度拓扑优化,并对各模块进行布局功能设计;然后对方案进行了有限元仿真分析,同时对设备系统进行了光机热集成分析;最后进行了实验验证.实验结果表明:设备一阶频率大于i00 Hz;正弦振动实验最大放大倍数为1.04;随机振动实验结果最大误差为4.72％;力学实验前后设备光谱特性一致.实验结果证明了所提结构设计满足各项技术要求,为今后近紫外天底成像光谱仪结构设计提供了一种新的参考.     

中心支撑610mm圆形主镜的超轻量化设计

为满足轻小卫星相机质量更轻、性能更好的要求,对某离轴三反空间相机610mm口径圆形主镜进行了超轻量化设计.选用背部中心单点支撑方式,采用变筋厚和变筋高的设计形式,结合集成优化方法,设计的主镜质量仅为6.23kg,面密度约为21.3kg/m2.并设计了主镜的支撑结构,仿真分析了组件的静、动力学性能.结果表明:三个方向重力工况下主镜的面形准确度(RMS值)均优于6nm,4℃均匀温变载荷工况下主镜的面形准确度优于1nm;主镜组件的一阶自然频率为112 Hz,频响分析的最大应力发生在钛合金柔性连接件的螺栓孔处,最大应力值为104 MPa,远小于钛合金的屈服极限870 MPa.主镜轻量化效果显著,主镜组件的静、动力学性能均满足设计要求,本文所述单点支撑形式的最大适用口径为683mm,为同类型空间反射镜的超轻量化设计提供了思路和参考.     

光电经纬仪主镜面型误差主动补偿技术研究

光电经纬仪俯仰动作时,引起主镜的面型误差,从而影响整个光学系统的准确度,以往主镜支撑结构采用被动式补偿方式,来保证实际面型最大误差在设计指标之内.本文基于压电陶瓷主动面型补偿技术,通过对俯仰变化引起面型误差曲线的实时修正,来主动控制主镜装调和动作引起的面型误差.使用光机系统联合仿真方法,拟合主镜面型误差,然后采用压电陶瓷的主动补偿技术修正面型误差,能够使原主镜峰值下降到66.9 nm,均方根最大值下降到12.9 nm,满足15.82 nm的均方根要求.基于压电陶瓷的主动面型补偿技术不仅可以很好地实时补偿主镜的动态面型误差,提高光学系统的像质清晰度和视轴稳定性,对大口径高准确度主镜系统的装调与动态检测有重要的意义.     

几何光学 像差、像质评价

O435.2 2006031869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=Aberration characteristics of a two-mirror systemwith a two-lens zero-power corrector placed before the pri-mary mirror[刊,中]/何宗平(合肥运涛光电科技有限公司.安徽,合肥(230031)) ,胡明勇…∥量子电子学报.—2006 ,23(1) .—31-36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…     

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…     

衍射效应对空间可展开光学系统像质的影响

空间可展开光学系统采用的是主动控制的拼接主镜。基于波动光学衍射理论分析了光学系统在几种展开方式下由主镜形状、分块镜间隙等因素引起的衍射效应,这为评价展开方式提供了光学理论依据。     

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.     

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。     

基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.     

折反射式空间相机光学系统设计与杂散光抑制

针对同轴两反射镜光学成像视场角受限、大视场角下成像对比度较低的问题,采用透镜组作为像差校正组,合理分配光学系统的光焦度及间距,来扩大两反射结构的成像视场角,提升相机全视场内的成像质量。以某一工程应用需要为例,设计并研制了焦距为750 mm、视场角2ω=3.45°、全视场平均传递函数在108 lp/mm处优于0.2的相机光学系统,且在未使用主镜筒外遮光罩的前提下,优化设计了次镜遮光罩以实现杂散光抑制。采用TracePro软件进行相机杂散光环境建模仿真,结果表明:在非成像视场角内的杂散光点源透过率(PST)的量值范围为10-3～10-6。系统满足传统地面目标探测成像要求,验证了紧凑型大视场折反射光学杂散光抑制结构的可行性,并为商用同轴折反射光学系统设计及优化提供了一定的参考。     

基于杂散光抑制要求的光学表面粗糙度控制方法研究

光学表面加工误差引起的散射是影响光学系统成像性能的重要因素.描述表面总散射能量的均方根粗糙度是评定光学表面粗糙度的通用指标,但因其未能体现散射能量的空间分布,在表征光学表面散射对具体光学系统杂散光性能影响时存在准确度不足的局限.本文基于全积分散射及双向散射分布函数理论,针对杂散光抑制要求提出一种光学表面粗糙度控制的新方法.首先通过分析确定光学表面纹理中影响系统杂散光的空间频率范围,然后度量该频率带限范围内的表面均方根粗糙度,作为控制光学表面粗糙度的指标.以太阳磁场望远镜(MFT)为例进行方法验证,确定主镜表面纹理有效频率范围为0—18 mm~(-1),分析了主镜表面带限均方根粗糙度对MFT杂散光性能的影响.结果表明,带限均方根粗糙度与MFT杂散光性能之间的关系稳定性能大幅提高,由此验证了采用带限均方根粗糙度描述光学表面粗糙度,能更为准确地控制其对具体光学系统杂散光性能的影响.     

光电技术在轻武器中的新应用

分析了信息技术的发展和在反恐作战需求不断增长情况下，光电技术在轻武器中的应用现状。简述了在信息技术等高新技术引发的新军事变革下各国军队作战理念的变化带来的武器装备的发展。根据轻武器发展领域中光电技术的基本作用，即通过配备光学系统、光电瞄准具等来提高传统轻武器射击精度，总结了新的军事需求下，轻武器与光电技术的密切关系。着重描述了具有拐弯结构设计的步枪、手臂安装设计的未来小武器、集成光电瞄准具的遥控轻武器站、由感知装置控制的灵巧弹药、新概念发射方式的金属风暴武器系统等的设计特点。指出光电技术在目标获取、发射控制、弹道修正等方面所起的作用。     

主焦点式光学系统的光机结构设计与装调检测

针对应用在极轴式望远镜中的主焦点式光学系统,从主镜的支撑设计与分析、主镜的装调检测、校正镜组件的设计装调和系统的装调检测等方面进行了深入的研究.充分应用了有限元法分析主镜的支撑、定心仪检测光轴的同轴度、平行光管检测系统像质等,得出了主焦点式光学系统的一般装调检测方法.装调后的主镜面形检测结果均方根值达到0.042 8λ,校正镜组的光轴同轴误差达到12.4″.对系统的像质评价采用能量集中度法,成像在靶面上的星点80%能力集中度在24 μm×24 μm范围以内,达到设计指标要求,说明系统结构设计合理,装调检测方法可行.该方法和思路可推广至其他主焦点式光学系统的装调检测工作.     

大视场大相对孔径双波段夜视R-C系统设计

为了利用可见光波段和长波红外波段所蕴含的不同信息进行数据融合和实时彩色显示,设计了一种大视场的单通道双光谱R-C结构。双谱光学系统的具体结构为R-C系统加校正镜,采用主镜后分光,利用二向分光镜反射可见光波段,透射长波红外波段。全视场角和相对孔径分别为5°和1∶1.7;次镜遮拦比为1∶3;光学系统在可见光波段MTF=0.60的成像质量对应的空间频率为50 lp/mm,在长波红外波段MTF=0.30的成像质量对应的空间频率为15 lp/mm。对该系统的结构特点进行分析和讨论,给出了各种像差曲线和光学传递函数。