低成本小型化遥感光学系统设计

随着航空航天成像技术的发展,遥感成像观测系统需求不断增加,为了简化光学系统的加工装配复杂度,缩小光学系统体积,该文提出了一种低成本、小型化遥感成像光学系统设计方法。在全球面镜的基础上,配合氟化钙等低色散材料,设计了一种焦距2000 mm,适用于5.08 cm(2 inch)探测器的光学成像系统,该系统在50 lp/mm处MTF(调制传递函数)优于0.41,体积与R-C系统接近,系统的球面主、次镜避免了在加工装调时使用非球面补偿器,降低了加工装调成本。同时设计了新型百叶窗遮光罩结构,有效避免了传统外遮光罩结构形式体积过大的问题,规避角大于12°后PST(点源透射比)值均小于10^(-6),且光学体积仅为ф227×421 mm^(3),远小于传统外遮光罩形式。该系统具有低成本、结构小型化、轻量化、像质优良、杂散光抑制良好等优点,在工程应用中可以满足航空航天成像系统的使用要求。

光子集成干涉阵列视场拼接子孔径光路设计

光子集成干涉成像系统一般是在子孔径焦平面处加单模光纤阵列,通过接收不同视场角的光束完成大视场拼接成像,但直接采用光纤阵列会导致成像视场不连续、子孔径焦距变长、厚度大幅度增加。针对以上问题,本文提出了一种结合微透镜阵列和光纤阵列对子孔径像面细分的方法以实现视场无缝拼接,并通过摄远物镜和三透镜空间压缩板组合大幅度降低了子孔径阵列的整体厚度。设计结果表明:通过在光纤阵列前加65×65的微透镜阵列对光束进行二次聚焦能够实现系统视场无缝拼接,视场扩大65倍后,全视场为0.0489°;可见光入射时单模光纤阵列中各光纤中心空间光耦合效率不低于40%;在加入空间压缩板压缩自由空间光路后,系统的整体厚度压缩了1个数量级。该系统在实现光子集成干涉成像系统大视场无缝拼接成像的同时,为解决超长焦距镜头过厚的问题提供了新的思路。

大口径长焦距暗弱星模拟器系统设计

为提高星模拟器口径及焦距,提出以大口径长焦距离轴反射式系统作为星模拟器的准直光学系统。首先,研究星模拟器参数需求及光学系统构型优缺点,确定准直光学系统结构;其次,优化光学系统参数,分析像质情况;最后,测试系统各项实际指标,验证光学系统可行性。优化结果表明:系统口径为Φ510 mm,焦距为5000 mm,系统波像差≤0.049λ,点列图RMS半径≤2.589μm,各视场MTF接近衍射极限,畸变量≤0.002%,场曲≤0.2 mm,完全满足设计要求。测试实验结果表明:系统波像差0.0616λ,星等模拟范围+7~+12 Mv,星等模拟误差0.08 Mv,实现了对高星等恒星的精确模拟。

长波红外大孔径长焦距无热化光学系统设计

对于长波红外长焦距光学系统,大孔径能使系统具有更好的成像亮度,但也带来了孔径边缘像差较大且难以校正的问题。利用折反射式结构减少光学系统总长,采用两块反射镜结构作为基础,在其后搭配一组校正折射透镜构成光学系统,并应用光焦度分配、消热差及消色差条件,设计出大孔径、长焦距的长波红外无热化光学系统。该光学系统工作波段为8~12μm,焦距为800 mm,全视场角为0.6°,F数为2.5,遮拦比为0.2,光学系统总长为344.62 mm;在-40~60℃工作温度范围内,全视场角的调制传递函数值在奈奎斯特频率20 lp/mm处均大于0.25。设计的长波红外大孔径长焦距光学系统由2块反射镜和4块折射透镜组成,系统结构紧凑,成像性能稳定,可为类似此类光学系统设计提供参考。

基于双冷却介质下的长焦距大型曲面反射镜片冷却系统的研究

根据长焦距大型曲面反射镜片成型时其在不同区域所产生的热量多少不同,创新性地提出了采用双冷却介质的长焦距大型曲面反射镜片冷却系统,从而有效地带走不同区域的热量,解决了长焦距大型曲面反射镜片由于不同温度而产生的变形的问题,提高了产品的精度。

长焦距空间三反光学系统的设计

长焦距、小体积是空间光学系统设计研究的热点。本文在三镜反射光学系统的几何光学理论基础上，尝试性进行了小尺寸、大视场、长焦距全反射系统的设计。本文所研究的光学系统三个反射面都是二次曲面，并给出了视场可达到３°，焦距为１０ｍ的两种设计结果，最后对两种设计结果进行了比较，得出了相应的结论。对实现长焦距、小体积的可行性进行了初步的探讨。

长焦距大视场光学系统的光机结构设计

为了实现某长焦距大视场轻型离轴三反空间相机的光机结构设计,基于SiC材料空间反射镜,采用适合于轻型高分辨空间相机的桁架结构,对离轴TMA系统的支撑结构进行了静力学、动力学建模,优化了结构形式。采用光机热集成分析方法,指导、评价和优化相机光机结构设计过程,提高结构固有频率,增强相机热稳定性适应范围。相机结构设计基频>93Hz,在±4℃均匀温变工况和重力作用下,相机光学系统传递函数(MTF)达到0.37;反射镜组件加速度响应最大放大倍数<6倍。结果表明,采用该方法设计的相机结构固有频率高,重力变形、抗振性能、热变形等方面均能满足使用要求。

长焦距同轴四反射镜光学系统设计

低成本、高性能对地遥感微纳卫星是当前研究和开发的热点,为适应微纳卫星平台,要求空间相机具备小型、轻量化的特点。在其体积和质量的限制下,设计结构尽可能紧凑的长焦距大视场望远物镜是成功研制高分辨率对地遥感光学相机的关键,研究利用同轴四反射镜系统解决这一问题的可能性。首先,介绍无二次遮拦同轴四反射镜望远物镜的组成与工作原理;基于近轴光学和初级像差理论,导出几何约束条件和初级像差公式,给出结构紧凑的长焦距同轴四反镜系统的设计思想与方法;最后给出举例及设计结果。优化设计了全视场角1°×1°、有效焦距2 100 mm、F数为7的同轴四反射光学系统,总长228 mm,约为有效焦距的1/9,结构简单紧凑,像质接近衍射极限。

基于光学自由曲面的离轴三反光学系统

为了研制长焦距大视场离轴三反空间光学系统,描述了自由曲面光学数理模型,设计了基于自由曲面的离轴三反光学系统。针对焦距为4 500mm,成像视场角为11°,系统总长与焦距的比值为1/3的光学系统,对比分析了传统离轴三反光学系统和次镜为自由曲面的离轴三反光学系统的关键性能。在提出的光学系统中次镜采用自由曲面设计,提升了光学系统的像差平衡能力;最终选用相对孔径为1/9.5的设计方案,使光学系统全视场平均波像差优于0.030λ(λ=632.8nm),平均传递函数优于0.434(71.4lp/mm),接近衍射极限;在同等条件下系统设计传递函数比传统离轴三反系统提高5%以上。优化设计后光学系统自由曲面次镜与理论球面偏差为1.1λ,采用定制的标准球面镜结合基于数字样板的非零位检测方法可完成面形实时高精度检测,解决了大口径凸自由曲面检测的难题。结果表明,采用基于自由曲面次镜的空间光学系统,具有体积小、技术可实现性强、波像差和传递函数等关键性能优越等优点。

大视场、长焦距空间光学系统的设计

大视场、长焦距、小体积是空间光学系统设计研究的热点。当光学系统口径一定时 ,在相同的轨道高度条件下 ,增大焦距可以提高地面分辨率 ,增大系统的视场角可以扩大对地面的覆盖宽度。由于全反射系统具有独特的无色差等特性 ,成了目前研究热点 ,尤其是以三块反射镜组成的全反射式光学系统 ,结构最简单 ,而且像质很好。本文尝试性进行了这方面的设计 ,系统的焦距为 10m ,视场可达到6° ,所研究的光学系统三个反射面都是二次曲面 ,且所有光学面都离轴放置 ,避免了中心遮拦 ,从最后的像质评定可以看出 ,系统的质量基本上达到了衍射极限。

长焦距小型无热化电视光机系统设计

针对长焦距小型化电视的设计要求,采用摄远型光学结构压缩系统的轴向尺寸,使摄远比达到了0.53,并对系统进行了消杂光及光机无热化设计,通过合理地设置光阑减少系统的杂散光,选择合适的结构材料与光学材料相匹配,在整个工作温度范围(-40℃^+65℃),像面漂移量在焦深范围内,20lp/mm时系统的MTF在0.7以上,点列斑4.7μm,小于探测器的像元尺寸6μm,光轴稳定性达到了0.04mrad,系统无需调焦便可满足高低温等恶劣环境下的像质和光轴稳定性要求。试验结果表明:探测和识别特定目标距离均达到了指标要求。

折反式坦克目标跟踪识别红外光学系统设计

基于光学相关探测,根据坦克目标跟踪识别系统的需求,设计了一种新型的卡塞格林红外光学系统,其非球面的主镜和次镜都取代为球面镜,不存在卡塞格林系统大口径非球面主镜、次镜的高加工精度和装调困难的问题;为满足大视场、大孔径的像差要求,用三个校正透镜,在保护罩中用一个偶次非球面。其系统结构紧凑,口径大,焦距长,分辨率高,并且各视场均能获得接近衍射极限的成像质量,满足坦克目标跟踪识别系统的总体要求和像质的要求。

基于干扰观测器的航空成像系统的扰动抑制

针对反射式长焦斜视相机减振器组件固有频率带来的低频扰动,提出了一种基于干扰观测器的加速度反馈控制方法,实现了镜筒系统对扰动的抑制。首先,分析了扰动对相机成像质量的影响。然后,对镜筒光纤陀螺进行参数标定并构造镜筒控制系统的干扰观测器,实现对镜筒角加速度及外界扰动的估计。最后,提出带干扰观测器的加速度反馈控制策略并应用到镜筒控制系统中。实验结果表明,相比于超前-滞后校正方法,基于干扰观测器的加速度反馈控制方法能够提高系统的闭环带宽,将减振器固有频率带来的低频扰动幅值降低50%,改善相机成像质量,在实际工程中具有较高的应用价值。

超长焦距红外双视场光学系统设计

设计了一种超长焦距中波红外双视场光学系统，该系统采用二次成像结构，通过透镜轴向移动实现变焦功能。设计结果表明，该系统可以实现超长焦距600～150 mm的变焦功能，且中心视场在探测器特征频率20 lp/mm处的光学传递函数值高于0.5，接近衍射极限，能够很好地满足军事侦察对远距离目标同时搜索和瞄准的要求。

基于H-S波前传感器的高能激光材料热效应参量测试

为了实现高能激光材料热效应参量的在线测试,设计了一套50mm口径的测量装置。装置采用准直He-Ne激光为光源,准直光经激光材料后的光程差用Hartmann-Shack波前传感器检测。根据波像差分解理论及波前变换关系,获得了高能激光材料热效应参量。分析评估了装置的扩展测量不确定度,对影响测量不确定度的系统参量进行了校准,最后设计并完成了测量不确定度对比验证实验。结果表明,系统波前畸变测量不确定度为0.06λ,30m^120m范围热焦距的扩展测量不确定度为8.4%。该系统能有效地用于高能激光材料热效应参量的在线测试。

长焦距红外光学系统焦距检测方法

强激光主机装置中,需要利用各种不同焦距的光学透镜对光束进行扩束和准直,透镜焦距的准确程度直接影响系统的整体性能,所以对透镜焦距的准确测量尤为重要。提出了一种利用哈特曼-夏克波前检测仪和旋转平面镜辅助测量长焦距红外光学系统焦距的新方法。给出了系统的测量原理,使用ZEMAX光学仿真软件仿真分析了待测透镜不同通光孔径对焦距测量的影响,并且通过误差理论推导出平面镜旋转角度与系统测量误差之间的解析表达式。最后进行了实验对比,测量结果表明,当平面镜旋转至一定角度,采用合适的通光口径,系统测量精度可以优于3‰,远高于传统测量方法。此外,该测量方法还具有使用方便、高稳定度等显著优点。

大口径长焦距平行光管主反射镜支撑与调整机构的研究

检验大口径长焦距光学系统 ,需要相应的大口径长焦距平行光管 ,而大口径长焦距平行光管的制造不同于短焦距平行光管的制造 ,环境因素及光学元件的固定方式对光管的成像质量有很大的影响。为了使光管有着较好的质量 ,光学镜面要有较好的面形及灵敏的调整机构。

长焦距光学系统杂光系数测试仪

报告了一种新的长焦距光学系统杂光系数测量装置，该装置除具有避免了制作大直径积分球的优点外，还能精确测量轴外杂光系数，分析各部分杂光源对杂光系数的影响。

大口径长焦距镜面和透镜的扫描法焦距测量技术

提出了用扫描法测量大口径长焦距镜面或透镜焦距的方法。这种方法是通过对一块Ronchi光栅的Tal bot像与另外一个Ronchi光栅所产生的莫尔条纹转角的计量来测量长焦距;通过扫描对大口径范围内的整个区域进行测量。实验结果表明,这种方法能够实时地、非常精确地测量长焦距。

相位恢复测量长焦距镜面(英文)

针对长焦距光学镜面检测中测量光路长,振动干扰较大,不容易用干涉仪进行面形检测的难题,提出了一种基于相位恢复技术的测量方法.该方法用相干点光源照射被测镜,采集一系列焦点附近的衍射光强图像,然后运用相位恢复算法得到镜面面形误差分布.利用衍射光学理论建立了测量模型,并用基于Gerchberg-Saxton算法的迭代算法求解模型.然后仿真验证了光场传播模型的可靠性和测量算法的有效性,并用该方法测量了一块曲率半径8700mm,口径145mm的球面镜.通过对光强图像位置进行优化,并选择适当离焦位置的图像,最终恢复出了镜面面形.相位恢复测量的结果与动态干涉仪测量结果基本一致,并且测量装置简单,对环境要求低.