红外双波段卡塞格林光学系统设计

定性地论述了卡塞格林系统设计中焦距、场镜焦距和后工作距离大小的选择 并论述了在设计中主、次镜必须根据设计结果的分析 ,调整主、次镜的半径和间隔 ,从而使后工作距离 ,遮栏比都能满足设计要求 ,最终使系统能够获得最优的设计性能以满足设计需要 ,在系统的垂轴像差难以消除时 。

偏心和倾斜光学系统初级象差理论的研究

在共轴光学系统波象差的基础上 ,推导出了光学元件的偏心和倾斜分别对主要象差的影响 得出了除了球差外 ,每一种象差由于偏心和倾斜都引入了它同种类的象差 ;小量的偏心和倾斜并不改变系统的球差的结论 ;如果球差并不为零 ,将会产生与象高无关的彗差 。

具有二次像面的三反射光学系统的研究

论述了一种具有二次像面的偏视场三反射光学系统的设计方法 ,定性地讨论了设计参量β1,Δ ,f′1对系统传递函数的影响 给出两种结构型式 ,两个设计结果 ,并从系统成像质量的好坏、加工的难易程度及结构的可实现性分析了两种结构型式的优缺点 .

偏视场用三反射系统的一次杂光问题研究

介绍了传统的二反射系统的杂光设计方法 ,研究了偏视场用三反射系统的杂光域与光阑位置的关系 ;指出了在线遮栏比较小 (如 1/ 4 )和半视场角比较大 (如 0 .77°)的情况下 ,设计时可不考虑用外遮光罩消一次杂光 ;给出了在不使用外遮光罩消一次杂光的情况下 ,决定主镜上内遮光筒和次镜上内遮光罩的长度的方法 ,此时系统线遮栏比为 1/ 2 .6 ;由于飞行方向与垂直方向视角不同 ,主镜上遮光筒和次镜上遮光罩的形状可以设计成非轴对称形状 ,并可使系统线遮栏比降为 1/3.3;在此基础上提出了进一步减少系统遮栏比的方法 ,使线遮栏比降为 1/ 3.

光学遥感器成像品质的主被动提升技术

空间相机是基于卫星平台实现远距离遥感成像的重要光学遥感器,其成像品质会受到众多因素的影响。首先,由于平台本身在姿态稳定度和指向控制精度方面存在不足,飞轮转动、制冷剂及推进剂的喷溅、天体引力、振动噪声等均会带来高、低频振动,从而使空间相机在推扫成像中出现非正常的像移、光轴抖动,导致运动模糊和离焦模糊。其次,分辨率要求的提高会导致系统口径的增大或者采用拼接方式获得等效的大口径,然而无论是单一大口径系统或者拼接镜系统,其光机结构的状态对平台工况比较敏感。光机结构状态的变化可以间接的由系统出瞳波像差反应出来,并使波像差偏离理想值,导致无法实现衍射受限成像,引起成像品质的降低。因此,该文针对上述两个方面的内容,围绕提高空间光学相机在轨成像品质所应该采取的技术途径进行了探讨,并给出了建议,对于高分辨率光学遥感器的设计有一定的参考价值。

高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用

大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙,小到光学显微镜探察细微的纳米世界,光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着至关重要的角色.看得更远、看得更细、看得更清楚是人们不断追求的目标.传统光学理论已证明所有经典光学系统都是一个衍射受限系统,即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和系统的相对孔径(或数值孔径)决定的.能否突破这个极限?能否不断提高光学系统的成像分辨率?围绕着这个问题,本文综述了近年来开展的各种光学高分辨和超分辨成像技术,及其在空间探测和生物领域中的应用.

非自发光空间目标的可见光探测技术研究

建立了空间非自发光目标的数学模型,应用经典光学理论研究了目标亮度与目标尺寸、表面特性、观测角、观测距离之间的关系;并推导了探测能力与光学系统参数及曝光时间之间的关系;试验结果验证了模型和计算公式的正确性,可为空间目标探测光学系统的设计提供了设计参考.

航天器微振动对空间相机像质的影响

采用集成模型法研究了航天器微振动对空间相机像质的影响,针对探测器CCD曝光积分时间内动态成像系统像移等价于静态像点模糊,提出动态成像评价指标,并进行了动态成像分析.介绍了空间相机受到的各种微振动干扰源,利用有限元软件建立了相机的有限元模型,并对相机进行动力学分析,获取了光学元件的微振动量,将其输入到光学软件CODE V,得到系统退化的像面点列图、调制传递函数、像移量等分析结果.这种方法适用于任何振幅、频率形式的复杂微振动,且有效减少运算量.利用该方法完成微振动干扰对空间相机像质退化的仿真模拟,结合动态成像评价标准分析判断微振动对系统像质的影响程度,得到光学元件微振动与像质退化之间的关系,为系统优化设计和隔振补偿措施提供参考依据.

空间高分辨率CCD相机次镜支架最佳结构设计

根据某空间高分辨率CCD相机的结构设计方案 ,利用结构设计软件Solidedge建立了次镜支架的结构分析模型 ,并利用有限元分析软件Vnastran对不同结构和尺寸的次镜支架进行了动力学分析计算 ,提出了次镜支架的鼓型偏置式四翼梁结构 该结构具有较高一阶谐振频率和良好的机械加工性能 。

基于矢量波像差理论的计算机辅助装调技术研究

在三阶矢量波像差理论的基础上,建立了系统内失调量与系统波像差Zernike系数的关系式,并以共轴三反射光学系统为数学模型进行了仿真分析.结果表明,基于矢量波像差理论的装调技术可行,并可用于大型光学系统的装调.利用该理论对一共轴非球面三反系统进行装调,最终使系统波像差RMS<0.080λ.

高分辨率空间相机的工程分析

以大型结构设计软件SolidEdge建立了高分辨率空间相机的精确的几何模型,在此基础上用大型有限元分析软件MSC.Patran建立了相机的有限元模型,并利用MSC/Nastran对该相机整机进行了工程分析 其计算结果与试验结果相差 10%以内.

地面可见光相机探测静止轨道目标可行性研究

基于地面可见光相机探测建立了地球静止轨道上空间非自发光目标的数学辐射模型,利用辐射传输的基本原理,分析了平面目标亮度与探测时间、纬度之间的关系,推导了系统探测能力与光学系统参量及曝光时间之间的关系,简要的分析了杂光对系统曝光时间的影响,理论模型与目前相关试验结果基本接近,表明GEO上空间目标的可见光相机探测是可行的.

非球面干涉定心方法研究

由于非球面光轴的唯一性,非球面定心工艺中需分别定义顶点偏心误差和球心偏心误差.通过估算顶点偏心在传统定心仪上的测量误差,可以发现传统定心仪很难达到控制目的,而干涉测量方法却能得到较高的准确度.理论推导和模拟计算表明:顶点偏心角与偏心彗差之间有线性关系,顶点偏心角的彗差灵敏度与非球面的陡度成正比.使用干涉检测的方法可以同时控制非球面的两种偏心误差,且其检测准确度可以达到0.02mm.

拼接误差对拼接式大口径反射镜成像质量的影响

以由七片边长为0.5m的正六边形子镜组成的拼接式大口径反射镜为例,理论分析和数值模拟各种拼接误差对成像质量的影响.利用傅里叶变换的特殊性质简化求解大反射镜的点扩散函数过程并推导各种误差下的解析表达式.采用快速傅里叶变换数值模拟边缘失配误差、平移误差及倾斜误差情况下的点扩散函数,并根据光学系统的成像原理模拟成像效果.结果表明,边缘失配误差对成像质量无影响,而平移误差影响较大,倾斜误差影响相对较小.

折/衍混合大相对孔径星敏感器光学系统设计

将衍射光学元件用于星敏感器光学系统,设计了一种全新的大相对孔径、甚高精度星敏感器光学系统。系统焦距为90 mm,相对孔径为1/1.2,视场角为2ω=7°,光谱范围为0.45～0.85μm。系统结构简单,满足了星敏感器系统对弥散斑直径、能量集中度、畸变、垂轴色差等像差的特殊要求。此外,对系统进行了环境温度分析,结果表明:衍射光学元件的使用在实现小型化、轻量化设计的同时,增强了星敏感器光学系统消热差和抗离焦的性能,为星敏感器光学系统设计提供了新的思路,具有重要的参考意义和应用价值。

偏视场用三反系统消杂光设计及仿真

分析了偏视场用三反系统的杂散光特性,根据遮光罩设计的基本原则,介绍了利用计算机仿真技术进行消杂散光设计和评价的原理。系统为特殊的矩形视场,且在y方向视场偏轴,为此,设计了盒形外壁与锥形内壁相结合的外遮光罩结构,并在CAD中进行建模,采用内部挡光片为方形并且梯度排列的结构。在λ=0.25μm,方位角为0°和90°时分别对0.5～80之间共16个离轴角度进行光线追迹,最后通过计算得到了系统PST曲线。由曲线可以看出,系统PST整体上是下降的,且在离轴角25°时达到10-8量级。计算杂光系数为3.59%,完全满足要求。实验结果证明了设计的可行性,为应用提供了依据。

失调三反消像散光学系统像差特性

文中以矢量波像差理论为基础,对TMA光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调TMA系统的初级球差在全视场内为常量,彗差在全视场内的方向与量值均为常量,由失调引入的像散表现为失对称性、像散值与视场成线性,其零点位于中心视场。在校正失调产生彗差时,TMA系统像散零点位于轴上视场,像差接近于零,而边缘视场的像散依然较大,因此在TMA系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差。在同样情况下若轴上视场测量到像散,则是由于主镜的面形误差导致而非系统失调引起。利用CODE V对失调TMA系统的失调像差分布进行仿真,结果表明,利用矢量波像差理论可以对失调TMA系统的像差进行定性分析,以提高TMA系统的装调效率。

空间相机碳纤维复合材料主次镜连接筒设计

设计并研制了碳纤维复合材料主次镜连接筒.根据光学设计中的公差分配,结合复合材料层合板理论,分析了复合材料铺层设计对面内刚度和轴向及周向热膨胀系数的影响,确定了最终的铺层方式.利用有限元软件分析了重力作用下及温度变化时主次镜间的位置变化及连接筒的模态分布.最后,完成了碳纤维复合材料薄壁连接筒的成型和精加工,检测了主次镜系统光学性能,并对装配完成后的相机进行了鉴定级力学试验.分析结果表明:在1g重力载荷及2℃温升耦合作用下,次镜偏心小于0.002mm,次镜倾斜小于2″,主次镜连接筒及次镜系统组合体基频达到265Hz,满足光学设计要求和结构稳定性要求.光学性能检测结果及力学试验结果表明,主次镜系统波像差满足装配要求,主次镜连接筒能够承受鉴定级力学试验考核,连接主次镜的两端响应放大仅1.7倍,体现了良好的阻尼性能.本文中研制的主次镜连接筒重量仅为6.4kg,实现了高轻量化和高刚度,满足空间相机对主次镜位置精度和稳定性的要求.

离轴反射光学系统像差特性研究

以轴对称光学系统的初级矢量波像差理论为基础,通过引入孔径缩放因子和孔径偏移矢量,获得了离轴反射光学系统初级像差特性。通过分析可知:离轴反射光学系统的初级像差依然由球差、彗差、像散组成。由于孔径缩放因子存在,离轴反射光学系统的波像差系数均有不同比例的减小,且轴对称光学系统的高级孔径像差会在对应离轴光学系统中引入较低阶孔径像差,例如轴对称光学系统未校正球差,对应的离轴光学系统除过球差外还将引入彗差、像散等。相比于轴对称光学系统的像差,由于孔径偏移矢量的引入,离轴反射光学系统的像差不再关于中心视场旋转对称,有可能在轴外视场产生像差零点。

一种新型挡光环的设计

传统形式的挡光环是将挡光环与遮光罩内壁垂直设置,文中设计的新型挡光环是将挡光环与遮光罩内壁倾斜设置,使入射杂光的反射光线和一部分散射光线在挡光环与遮光罩内壁所夹的空间内多次衰减无法出射,剩余的散射光线也大多逆向光学系统传播,大大消弱了到达探测器的杂散光。新型挡光环的倾角α要始终保持α>β(β为入射杂光与遮光罩内壁的夹角)的分布,才能避免一些照射到挡光环表面上的杂散光直接散射进入光学系统。文中以探测微弱星体的卡塞格林空间相机为例,在外遮光罩内部分别设置2种构型的挡光环,用T racepro软件进行建模与仿真,结果表明:采用新型挡光环的空间相机与采用传统型挡光环的空间相机相比,其探测的星等提高了4个等级。