透镜自重变形引起波像差的有限元分析

在用大口径、长焦距平行光管模拟激光远场特性时,其光组透镜在重力作用下的变形不能忽略,为了分析对出射光束质量的影响,采用有限元分析软件“ANSYS”建立了平行光管光组中声400mm平凸透镜的有限元模型,给出一种分析透镜轴向变形引起的波像差的方法,在不同工况下,计算了平凸透镜在重力作用下轴向变形的峰谷值和均方根值,对轴向变形量均方根值最小工况画出了透镜表面变形的等值线图,计算了声350mm通光口径内的波像差峰谷值和均方根值,对平行光管光组的波像差做出估计,验证了设计的合理性。     

高空高速航空相机光学窗口的热光学分析

分析航空相机光学窗口的热光学特性,选定熔石英作为窗口玻璃的材料,将热流密度加权分配到窗口外表面各个区域,并考虑整个窗口玻璃的辐射来计算其在一个工作循环内的温度分布。高空高速飞行时,气动热使窗口外表面的温度急剧上升,由于熔石英的导热率很小,窗口产生很大的轴向温差,分别取轴向温差55℃,70℃和90℃时的工况计算窗口热变形;光学窗口内、外表面的变形规律为近似球面,计算了其近似曲率半径,计算由面形变化和折射率变化引起的光程差并转化为Zernike多项式;将Zernike多项式系数带入Code V中考核窗口玻璃的光学性能,得到波像差变化量,其像面离焦量为-0.114mm,调制传递函数的下降最大值小于0.01。结果表明,光学窗口满足光学性能的要求。     

大口径光学离轴平行光管研究——主反镜结构及光学检测

在长焦距大口径平行光管的应用中,平行光管物镜的定位精度以及在装调过程中高灵敏度的调试环节十分重要.介绍大口径离轴光学平行光管主镜结构及其检测方法,给出3种不同口径下的光学系统的装调方法,详细分析 700 mm的平行光管的主镜结构及精调装置,并利用4D干涉仪来检测装调装置对面形的影响.结果表明,该装调装置为自由移动装置,...     

米级口径经纬仪保护窗口镜面变形分析

为了精确分析外载荷作用下米级口径经纬仪保护窗口镜面变形,本文基于接触有限元理论建立了米级口径经纬仪保护窗口带摩擦接触的有限元分析模型,对比了线性刚性连接和非线性摩擦接触方法的差异。采用齐次坐标变换法去除刚体位移,得到米级口径经纬仪保护窗口镜面畸变数据,使用Zernike多项式作为光机集成分析的接口工具,并将Zernike多项式系数导入ZEMAX中,以波前像差RMS值衡量镜面变形对成像质量的影响,并与干涉仪检测结果进行比较。考虑摩擦接触条件得到的保护窗口镜面波前像差RMS值为38.095 nm、PV为205.027 nm,使用干涉仪检测得到的保护窗口镜面波前像差RMS值为40.626 nm、PV值为235.654 nm。实验结果表明,考虑摩擦接触条件的仿真实验与干涉仪检测实验的镜面波前像差RMS值偏差为6.23%,能更准确地反映米级口径保护窗口镜面变形。     

基于Zernike模型系数优化的椭球型窗口光学系统像差校正

传统的半球形窗口难以满足高速飞行器气动力学的需求,采用流线型外表面的非球面光学窗口技术应运而生.这种窗口会随着扫描视场角的变化产生大量动态像差,校正这类像差成为高速飞行器光电成像系统发展的关键问题.对于扫描视场为±60°的椭球形窗口光学系统,研究了静态校正和无波前探测器的自适应光学技术相结合的大扫描视场像差校正方法.设计时,首先以减少系统像差种类为导向,进行初始结构设计,消除五阶Zernike像差,从而减少后续自适应优化控制变量数.利用Zernike多项式系数与变形镜驱动器电压之间的转换矩阵,将优化变量由140个驱动器电压减少至Zernike多项式2—9项系数.最后利用基于Zernike模型的遗传算法对变形镜面形进行控制,校正残余像差.仿真结果表明,各典型扫描视场点的优化速度提升95%以上,且光学像质接近衍射极限.该优化方法不仅可以修正异形光学窗口引起的像差,同时还能够校正光学系统装调、加工时引起的误差,具有较强的实用性.     

离轴反射式平行光管设计及次镜检验方案研究

平行光管是光学实验室常用的光学精密仪器,通过光源照射靶标模拟无穷远目标,是光学系统装调、测试必需的设备.设计了一个有效口径为200 mm、焦距为5000 mm的平行光管,采用离轴两反射式系统结构,视场角为0.35°,主次镜都为非球面,次镜为凸双曲面,系统中心视场波像差设计值达到1/62λ,边缘视场波像差设计值达到1/2...     

一种用于光机热集成分析的新方法——干涉图插值法

Zernike多项式是光机热集成分析中实现光、机、热各分析软件之间数据传递的重要工具。许多光学元件表面形状并不满足Zernike多项式的正交性条件，使有限元分析不能精确拟合光学元件表面变形及变形产生的各项像差。讨论影响Zernike正交性的几个因素，详细介绍将有限元分析得到的光学表面变形数据导入光学分析软件的一种新方法——干涉图插值法。该方法避开Zernike多项式拟合，在去除镜面刚体位移后将镜面畸变精确地表示成干涉图数据，直接生成数据接口。     

直线运动动态目标发生器光学系统设计

直线运动动态目标发生器用于检测与标定光电跟瞄吊舱的动态分辨率、跟踪带宽等性能指标。动态目标发生器内置平行光管用于模拟无限远动态目标,动态图形置于光管的焦平面并做变速直线运动模拟地面景物的移动动态。发生器内的平行光管由于其长焦距、大口径、大视场的特点,其二级光谱需重点考虑,基于复消色差理论,矫正二级光谱并平衡场曲等其余像差。设计了1m焦距、口径100mm、视场角为5°的大视场、长焦距无限远目标模拟光学准直系统。设计结果表明,光学系统的传递函数优于0.3@100lp/mm,畸变≤0.03%,沿轴色差远小于焦深,有效地矫正了二级光谱。采用分辨率板法检测光学系统的轴上、轴外点的空间分辨率,检测结果表明光管的空间分辨率均达到20组152lp/mm,满足系统要求。     

大口径平行光管光学设计和容差分析

大口径平行光管是光学系统检验的关键装置。大口径平行光管光学系统采用球面共轴系统结构，主镜为妒l500球面反射镜，次镜为无光焦度校正板组件，通过优化设计这种系统能够较好地消除系统像差。在设计视场内平行光管系统对532，6328，1319nm三个波长的波像差均小于M40(2=0．6328μm)，不同视场对应的Strehl-ratio分别为0．9993，0．9963和0．9846。如图1所示。     

改正镜作为LAMOST真空相机封窗的可行性研究

为提高真空相机光学性能,对现有改正镜作为真空相机封窗进行了可行性研究。通过现有改正镜几何模型,将力学场映射到有限元模型中,计算改正镜在受大气压强差状态下的变形。利用最小二乘法求解Zernike多项式前6项系数和拟合求解改正镜面形方程,分析变形后的改正镜对真空相机像质影响。研究结果表明:相对于原有像质的弥散半径,变形后的改正镜使得真空相机点阵图的弥散半径增大且最大增大41.9%,通过调节CCD焦距从249.554 mm变为249.574 mm,使得CCD点阵图弥散半径相对于原来增大0.301%~1.09%,保持了LAMOST低分辨率光谱仪相机原有的像质要求,说明现有改正镜可直接用于真空相机设计方案。     

基于相位恢复的光学元件面形检测技术研究

利用标量衍射的角谱理论,研究了基于两幅光强分布的相位恢复算法,并将此算法应用到光波的波前及光学元件面形的检测中。实验研究了球面光波波前的相位恢复及面形检测,给出了恢复波前与理想波前之间的偏差,采用求Zernike系数的广义逆矩阵的方法,用程序实现了光学元件面形的Zernike拟合。     

利用离轴三反镜光学系统确定各镜的装调公差

利用条纹泽尼克系数与赛德尔像差的关系,在三反镜光学系统的出瞳面上,用条纹泽尼克系数来表示系统的波像差。通过光学设计软件Zemax计算得到三反镜光学系统各镜的装调公差,以公差要求高的镜面作为装调基面,从而减少要调整的自由度。通过分析泽尼克(Zernike)系数在公差范围内的变化幅度来确定光学系统在出瞳面上各个像差的变化幅度,用该幅度的变化量来决定主次三镜各自由度在各个方向上的敏感度,最终确定各个自由度的优化调整级别。对一大口径无遮拦离轴三反镜光学系统进行了装调,在波长λ=632.8nm的条件下进行了检测。结果表明:整个光学系统全视场波前误差的均方根值RMS=0.108λ。     

温度环境下空间遥感光学系统成像质量的检测

在离轴三反射系统热光学理论分析的基础上,利用热光学实验测试了光学系统在不同热环境下的成像质量。将实测温度代入有限元模型,计算表征镜面变形的Zernike系数。将Zernike系数输入光学设计软件,复算光学系统的理论成像质量,并与测试结果进行对比分析。结果显示,理论复算值与实验实测值相吻合,证明了理论分析的正确性。试验检测表明,系统在Nquist频率下,18℃时的静态传递函数为0．247;14～21℃时的静态传递函数为0．221～0．254,满足系统成像质量要求。     

基于矢量波像差理论的两反光学系统装调研究

 为了实现对两反光学系统的精密装调,提出一种基于矢量波像差理论和波像差检测技术对失调量精确求解的装调方法。使用矢量波像差理论,将已设计的两反光学系统参数、失调量和失调光学系统的波像差之间建立方程;然后通过干涉测量法得到某一个视场的干涉图,利用条纹分析软件得到表征失调系统三阶彗差和三阶像散的泽尼克项系数,将泽尼克项系数代入方程从而求解出失调量。运用此方法对4 m口径RITCHEY-CHR-TIEN结构的天文望远镜进行模拟装调,最终求解的失调量与引入的失调量结果相互吻合,说明该装调方法正确。     

Optical quality in a myopic population of human eyes

An aberrometer was used to measure the monochromatic aberration of 219 eyes in a population of 113 myopic subjects. The Zernike expansion was used to describe the wavefront aberration of the human eyes. From the distribution of Zernike coefficients, the means of almost all Zernike coefficients are approximately zero, and the mean absolute values of Zernike coefficients convey the level of aberration for our study population. Based on the distribution of Zernike coefficients, the averaged optical quality was computed in different methods. The mean MTF and PSF of individual eyes represent the optical quality for a typical myopic eye. Through the calculation of the visual benefits expected from correcting Zernike modes, a large expected visual benefit can be achieved across all spatial frequencies after correcting 5 Zernike modes. Furthermore, the larger improvement of optical quality can be achieved with correcting more Zernike modes at a higher spatial frequency.     

组合式力热动态载荷光学窗口的光学特性研究

针对在一定压差及温度梯度等复合环境下工作的大口径光学窗口,提出了一种由光学玻璃与亚克力板组成的光学窗口组合方案,并以热光学分析为基础,对光学窗口整体强度及热环境进行了理论分析计算,得出光学窗口玻璃最小厚度。利用有限元软件将压力场及轴向温度场映射至三维结构模型,计算得到直径为380 mm的光学窗口在不同玻璃厚度下力热耦合的面形变化及成像质量评价指标,并通过相应的环境性试验对仿真结果进行验证。实验结果表明:以K9光学玻璃为原材料的大口径光学窗口在此工作环境下的厚度不小于32.5 mm;当光学窗口厚度为35 mm时,其所受热力学影响可以忽略。因此,35 mm的大口径组合式光学窗口既能满足强度要求,又能满足多光谱相机成像质量要求,为该类窗口的设计提供了依据。     

光学平面绝对检验方法的研究

应用两种方法对三个高精度平面进行了测试。第一种方法是Fritz的三面互检法,它利用Zernike多项式的特性拟合三个面四次组合测量得到的干涉图,然后求出三个面的Zernike多项式系数,从而得到三个面的面形偏差。第二种方法是奇偶函数法,根据函数的奇偶性,把平面的面形函数分解为四类:偶奇、奇偶、偶偶和奇奇函数,分别求出各分量,从而得到三个面的三维面形偏差。对两种方法都编制了理论模拟和实测程序,并进行了实验,实现了无参考面的高精度平面面形测试。     

共轴三反光学系统卧式装调技术

共轴三反光学系统是空间光学遥感器常用的设计形式,以“高分一号”遥感卫星高分辨率相机装调为例,对共轴三反系统计算机辅助装调技术进行了研究。提出以主镜光轴为装调基准,通过调整三镜控制系统视场和调整次镜控制系统像差的装调方法,分析了次镜和三镜的失调量与Zernike系数变化关系,由光学设计软件求得系统灵敏度矩阵,用于指导系统装调工作,提高了装调精度,缩短了装调周期。测试结果表明:光学系统各视场Zernike系数优于0.05λ,系统波相差RMS值优于0.06λ,系统通过在轨成像测试,图像清晰,层次丰富。