计算机辅助装调方法在离轴卡塞格林系统中的应用

针对高成像质量的离轴光学系统的计算机辅助装调问题,许多研究者提出了利用泽尼克系数建立灵敏度矩阵来求解失调量,但这种方法只有在泽尼克系数和失调量存在线性关系的前提下才能准确求解。提出了一种新的能求解较大失调量的计算机辅助装调方法,用此方法对一个口径为250mm的离轴卡塞格林系统进行了装调,得到了中心视场波像差RMS为0.0405λ(λ=632.8nm)。由这种方法计算出的失调量不仅准确,而且能够用于系统装调初期存在大失调量的情况。因此用这种方法能够显著提高离轴光学系统的装调效率。     

基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计

传统的离轴反射光学系统初始结构设计方法是先求取轴对称反射光学系统结构,然后通过光瞳离轴、视场离轴或二者结合的方法实现无遮拦设计.由于同轴光学系统像差分布规律不适用于离轴光学系统,因此离轴后的反射光学系统结构像差较大,而且系统无遮拦设计过程复杂.本文提出了一种基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计方法,可以直接获取光瞳离轴、视场离轴或二者结合的无遮拦离轴反射光学系统初始结构.该方法可以获得较好的离轴反射光学系统初始结构供光学设计软件进一步优化.针对面阵探测器,设计了一个长波红外离轴三反光学系统,通过光瞳离轴和视场离轴实现无遮拦设计,光学系统成像质量好,反射镜不存在倾斜和偏心,光学系统易于装调.     

基于像差特征分析的变焦光学系统装调

提出了一种基于像差特征分析的变焦系统共轴性装调方法。针对某型20倍变焦光学系统的装调,在分析变焦光学系统装调要求的基础上,通过采用光学定心加工技术,提高变焦系统各镜组内光学元件的同轴度;采用Zygo干涉仪,检测变焦系统在长短焦位置的像差特性分布;借助CodeV软件仿真计算各光学元件在系统中的公差灵敏度分布,并确定产生像差影响的敏感光学元件;在中心偏测量仪上,完成最终光学系统像质的调整。此外,还设计了一种变焦光学系统各动组间同轴度调试装置,对变焦相机主镜筒机械内孔轴线与直线导轨的平行性进行了精确测量,保证了动组组元光轴的同轴精度。装调结果表明:变焦系统成像质量有明显改善,像面一致性得到保证,长短焦轴上传递函数值分别优于技术要求值0.45和0.55,长短焦轴外0.7视场传递函数值优于0.25和0.35,实现了高精度装调,验证了该方法的可靠性。     

折轴三反射光学系统的计算机辅助装调技术研究

 给出计算机辅助装调中失调量与像差关系的数学模型,利用Zemax对折轴三反射光学系统进行失调仿真,得到失调数据,再对数据进行分析和处理,求得次镜和三镜的灵敏度矩阵,还对各种初级像差与各装调参量之间的对应关系及该系统的失调特性进行讨论。根据以上分析结果,最终确定了共轴三反射光学系统的装调方案。为了验证方案的可行性,在Zemax中对共轴三反射光学系统人为地加入不同的失调量后,按照确定的装调方案,利用建立的计算机辅助装调数学模型计算出失调量的大小和方向,再根据计算结果对共轴三反射光学系统进行调整,仿真结果和实际装调结果都证明该方案是可行的。     

基于CGH多镜定姿定态的离轴光学系统装调方法

针对离轴光学系统装调过程中自由度高且互相耦合的问题,提出一种新的离轴自由曲面反射式光学系统装调方法,采用计算全息图（CGH）实现多镜共基准定姿定态,解耦合系统各镜片的装调自由度,显著降低系统装调复杂度;分析CGH用于定姿定态时的定位精度,提高系统装调精度和效率,适应不同构型的离轴光学系统。利用上述方法,完成口径为210 mm、视场为2°×2°的近红外长波红外双波段离轴反射式光学系统装调,全视场波像差RMS小于0.126λ（λ=632.8 nm）,达到设计预期,装配周期短,成像质量优良。     

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。     

新型离轴反射变焦距光学系统的多视场检测方法

基于对离轴反射变焦距光学系统进行计算机辅助装调研究, 需要检测离轴反射变焦距系统各个视场的波像差, 除零度视场外, 获得包括其他视场的波像差有助于提高计算机辅助装调的准确性, 但是目前已有的波像差检测方法往往只能获得系统零度视场的波像差. 本文针对这个难题提出了一种检测离轴反射变焦距光学系统各个视场波像差的方法, 并应用于离轴三反变焦距光学系统的各视场波像差仿真检测. 该方法在传统自准直干涉法的基础上进行改进, 关键在于采用变形镜代替扫描的平面镜, 并采用夏克-哈特曼波前传感器代替干涉仪, 配合精确标定的激光器光源阵列, 可以实现对离轴三反变焦距光学系统的多视场波像差同时检测. 由理论分析和仿真模拟得出, 该系统在视场(0°, 3°), (0°, 4.2°), (0°, 5.5°), (0°, 7°), (0°, 9.8°), (0°, 14°)处经过变形镜补偿后的剩余波像差的RMS值分别为0.00039λ, 0.00075λ, 0.0024λ, 0.00017λ, 0.00053λ, 0.0057λ, 分析仿真结果表明此检测方案是可行的, 且适用于离轴反射变焦距系统的计算机辅助装调技术的研究.     

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。     

长出瞳距离轴四反光学天线的设计研究

传统离轴反射光学天线的出瞳距较短,需要中继光学系统将出瞳成像于快反镜附近,这会增加后续光路和结构的复杂度,且中继光学系统的后向散射光会对激光通信终端产生严重的影响。针对上述缺陷,设计了长出瞳距离轴四反光学天线,该光学天线的出瞳被直接设计在快反镜上,省去了中继光学系统。首先,从同轴三反像差理论出发,推导了像差表达式和初始结构方程。然后,基于像差理论和出瞳位置要求,计算了离轴四反光学天线的初始结构参数,并采用Zemax软件对初始结构进行光线追迹和性能优化。最后采用Zemax对离轴四反光学天线进行了公差分析。结果表明:所提系统性能优异,结构紧凑,加工和装调公差合理,满足激光通信终端性能要求。     

制造约束下自由曲面离轴多反光学系统设计方法

在离轴多反光学系统的装调过程中,光学对准工作成本高、操作复杂。光学系统的一体化加工制造方法通过在设计过程中加入制造约束避免了离轴多反系统的反复装调。然而,现有自由曲面离轴多反系统的设计方法很少考虑制造约束,设计的光学系统无法满足一体化加工制造的要求。针对这一问题,提出了一种符合制造约束的离轴多反系统自动生成方法。首先,提出了由共圆程度函数和遮拦评估函数构成的制造约束模块,对初始结构的合理性进行判断;其次,通过对离轴多反系统的光路结构进行光线追迹,构建了光学系统初始结构的综合目标搜索函数;然后,以搜索获取的初始结构参数为输入,结合改进的Wassermann-Wolf(W-W)法,提出了制造约束下自由曲面离轴多反系统的设计方法。实验结果表明,所提方法可以在保证较高成像质量的前提下,快速、准确地设计出符合制造约束的自由曲面离轴多反系统。     

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。     

基于自由曲面的大视场离轴反射光学系统设计

大视场离轴反射光学系统可以获取丰富的信息资源,是未来空间光学系统的发展趋势。自由曲面在离轴反射光学系统中的应用可以增大系统视场,但大视场自由曲面离轴反射光学系统初始结构较少,优化过程复杂,设计难度大。提出了一种大视场自由曲面离轴反射光学系统设计方法,首先基于矢量像差理论与费马原理直接获得成像质量较好的无遮拦自由曲面初始系统,再对其进行简单优化即可得到最终的大视场自由曲面光学系统。该方法可以降低大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计难度。设计了一个大视场自由曲面离轴三反光学系统,光学系统视场为30°×3°,F数为2,验证了所提方法的有效性。     

基于AOTF成像光谱仪主动变焦前置光学系统设计

声光可调协滤波器（AOTF）成像光谱仪可同时获取探测目标的空间图像和光谱信息,具有体积小、质量轻、中心波长挑选灵活等优势。提出一种基于AOTF成像光谱仪组合变焦光学系统设计方案并完成了主动变焦前置光学系统仿真设计。该方案由主反式变焦前置系统和具有任意放大倍数的投影系统组成,可实现大变焦范围主动变焦成像。前置光学系统的初始结构由主反式变焦系统设计理论确定,利用同轴系统的离轴解和参数优化完成离轴三反远心结构的设计和系统像差校正,构建逐步逼近优化法实现主动连续变焦。在Code V中的仿真结果表明：前置变焦系统工作波段为0.5～1.7μm,变焦范围为260～520 mm,短焦处调制传递函数大于0.68@34 lp/mm,长焦处大于0.45@34 lp/mm,全场的均方根半径小于0.345μm,成像质量良好。     

基于主成分分析法的离轴三反系统装调及其应用

提出一种基于主成分分析法的装调方案;对理想的离轴三反系统的灵敏度矩阵进行处理,以获得系统失调量对残余像差敏感度的权重值,通过去除敏感度低的调整量来制定合理的装调方案;基于逆向优化法的计算机辅助装调技术原理,进行模拟装调及装调方案的验证。结果表明:采用所制定的装调方案可使装调精度达到10~(-7)量级,调整量从11个减少到6个,装调难度降低,光机结构的稳定性得到提高。     

大视场大相对孔径斜轴离轴三反望远镜的光学设计

推导了离轴三反光学系统的线性像散平衡条件,在此基础上采用倾斜母镜光轴的方法设计了大相对孔径时大视场像散校正的斜轴离轴三反光学系统.系统视场为5°×5°,相对口径为1/3.1,口径为250mm,波段为400～2 500nm.将该系统与相同光学参数的共轴二次非球面离轴三反系统和共轴高阶偶次非球面离轴三反系统进行对比.结果表明斜轴离轴三反光学系统所有视场的光学传递函数在17lp/mm处均大于0.73,由于反射面采用圆锥曲面,其在偏轴视场成像质量方面有明显优势.对斜轴离轴三反光学系统的加工与装调进行了分析,其公差较为宽松,验证了其结构实现的可行性.     

光学系统辅助装调技术研究

光学系统装调技术是高功率激光工程中的关键支撑技术之一。对光学系统装调中影响系统光束质量的误差来源进行了分析,并根据像差的装调方式进行了分类。对这两类像差的辅助装调方式进行了比较和仿真模拟。针对第一类像差,在装调模型中代入失调系统检测得到干涉图,利用计算机辅助装调模型计算出失调量的大小和方向,确定出系统的装调方案。仿真结果显示,对系统调整工作有较好指导作用。针对第二类像差,利用元件加工面形之间波像差的互补性,优化调整光学元件的装校姿态。仿真结果显示,系统的光束质量口由预期的4．916优化为1．187,提高了多元件光学系统的光束质量。     

掠入射式超环面反射镜组X射线显微镜设计（英文）

为了实现对激光惯性约束聚变中物理过程的诊断,建立了X射线显微成像系统。对该系统所采用的超环面镜成像特性、系统的光学设计、像差分析、公差分析和装调方法进行了研究。首先,以等离子体诊断的要求为依据确定了部分光学系统参数,设计了由U型排布的两个超环面镜和一个用于谱选择的平面镜构成的显微成像系统。根据消像散聚焦初步确定三个反射镜的结构参数,并利用光学设计软件进行了优化。接着,分析了X射线显微镜的球差、彗差、视场倾斜和像散。通过分析系统参数变化对成像质量的影响,根据系统精度要求确定了合理的公差。最后,针对离线超环面镜离轴掠入射装调问题,设计了一种辅助光学系统,并为在线高精度系统装调设计了一种双向双目交汇瞄准系统。实验结果表明:显微成像系统在物方视场500μm处的分辨率优于5μm,基本满足激光等离子体X射线成像的大视场和高分辨等要求。     

用于折反式红外光学系统的辅助装调镜设计

针对大口径折反射红外光学系统设计过程中正主、次镜的像差为单独校正,无法实现高精度调试的问题,提出设计一套可见光波段辅助装调镜的方法,辅助镜用于补偿主次镜之间的像差,完成高精度装调。辅助透镜研制过程中,严格控制加工精度,减少对系统精度的影响。采用ZYGO干涉仪对系统进行了调试,波像差实际值为0.3,设计值0.14。最后,更换中继透镜组,光学系统成像质量达到红外搜索跟踪系统的要求。     

数字微镜器件超分辨成像光学系统装调误差影响研究

目前对于超分辨成像技术的研究主要集中在超分辨重建算法方面,光学系统本身的装调误差对超分辨成像结果的影响尚未见报道。针对这一问题,开展了装调误差对超分辨成像影响的研究,建立了基于数字微镜器件(DMD)的超分辨成像光学系统的基本成像模型,设计了一个工作波段为8～12μm的DMD超分辨成像光学系统,提出了装调误差对超分辨成像质量影响的分析方法。在成像模型中分别引入适当的偏心、倾斜、镜片间隔误差、离焦等装调误差,对超分辨重建结果进行仿真分析,得出了该超分辨成像光学系统装调时的公差范围:该系统在加工装调时X方向总体偏心误差控制在±0.07 mm以内,Y方向总体偏心误差控制在±0.05 mm以内,X方向和Y方向的总体倾斜误差控制在±0.06°以内,总体镜片间隔误差控制在±0.02 mm以内,成像物镜的离焦量控制在±0.04 mm以内,投影物镜的离焦量控制在±0.05 mm以内,在此范围内超分辨成像光学系统可以保证超分辨成像的质量。     

一种高分辨力空间相机的光学设计

针对某一种光学设计指标要求的高分辨力空间相机,在计算分析光学系统参数的基础上,利用Zemax光学设计软件设计了同轴三反射镜(TMC)系统,二次成像离轴三反射镜(Cook TMA)系统和一次成像离轴三反射镜(Wetherell TMA)系统3种光学系统,均满足了指标要求。对比分析了三种光学系统的优缺点,在综合考虑光学系统的加工、检测和装调能力以及空间相机技术发展先进性的基础上选定了将Wetherell TMA系统作为最终方案,相机外形尺寸为1600 mm×1230 mm×545 mm,系统焦距为4375 mm,相对孔径为1:9.94,视场角为2°。对该光学系统的性能进行了模拟和验证,计算分析了光学系统的传递函数、像差、畸变等,各项指标性能优异,最后对该系统的光阑和杂光消除进行了分析并对光学系统的公差进行了合理的分配。