共轴TMA反射镜面形不规则对波前误差的影响

以某遮拦比为22.3%的共轴三反系统的Φ600 mm主镜为例,分析了主镜、次镜和三镜面形不规则对高斯焦点波前差的影响,并拟合了数学表达式。使用环域修正Zernike多项式作为光机接口,分析了环境对反射镜面形的影响以及传递函数下降的情况,并将分析结果作为参考对主镜支撑进行了改进。根据像差容限和系统的环境耐受力,分解出主镜加工所需的精度应优于λ/36.5。

大视场、大口径双波段红外非制冷光学系统

军事和安全应用都需要利用红外探测技术来进行目标跟踪和搜索．由于红外或热成像系统探测的目标辐射能量低，因此需要光学系统具有强的集光能力；另外，用凝视方式可以获取大场景红外图像以去除传统的机械扫描装置，这要求红外光学系统：具有足够大的视场．该工作研究的光学系统视场大于60×3．5度，F数F／1-F／2．5．采用了离轴三反射镜光学系统，系统结构简单，成像质量达到衍射极限．

离轴三反宽视场空间相机的辐射定标

离轴三反(TMA)光学系统是目前最先进的空间对地观测相机的光学系统。本文在分析离轴TMA宽视场空间相机成像机理的基础上,针对其光学系统光路和结构的特点,提出了分视场定标和利用特殊开口形状积分球的全视场定标两种方案,并采用两种定标方案分别对离轴TMA宽视场空间相机两个不同阶段的样机进行了实验室辐射定标,定标结果表明两种方案切实可行,满足该相机实验室辐射定标要求。通过对提出的两种实验室辐射定标方案优缺点的分析,得出两种定标方案不同的使用条件,结果显示两种定标方案的定标精度分别为1.68%和1.89%。

离轴三反空间相机调焦机构设计

空间相机受所处复杂运载环境(冲击、振动、过载)和空间运行环境(压力、温度、微重力)的影响易产生焦平面偏移。为提高成像质量,本文设计了一种利用丝杠螺母变向、直线导轨导向、倾斜导轨驱动且适用于反射式光学系统的新型高精度调焦机构来修正离焦量。该设计采用防冷焊措施、预压消间隙措施和双重防卡死设计,有效地提高了结构强度、刚度和可靠性,从而保证了调焦精度。介绍了其结构和工作原理,描述了相应的可靠性设计措施,最后通过精度检测试验对调焦机构进行了综合性能测试。试验结果表明:该调焦机构具备良好的自锁特性,其直线运动精度优于±2μm,重复定位精度优于±1μm;调焦行程范围内调焦反射镜摆角精度绕X轴和Y轴方向均优于±3.5″,满足用户提出的精度要求。

离轴三反航天测绘相机像移对成像质量的影响

对离轴三反测绘相机的像移模型进行了必要的修正以获得高的测绘精度。对两线阵离轴三反航天测绘相机进行建模,推导了考虑地球曲率的斜视和后视相机的像移速度和偏流角计算公式。以交会角为25°的离轴三反航天测绘相机为例,分析了斜视相机以正视为准调整行周期和偏流角,以及兼顾正视、斜视相机调整偏流角时,像移速度匹配残差和偏流角调整残差对图像质量的影响。分析结果表明,以调制传递函数下降5%为约束,当积分级数大于5时,应分别调整斜视和正视相机的行周期;按正视相机调整斜视相机的偏流角时,积分级数应取71以内;若兼顾正视、斜视相机调整偏流角,当积分级数为96时,对正视、斜视相机的成像质量无本质影响。

双向大视场消畸变低温红外目标模拟光学系统设计

为了选择合适的低温红外目标模拟光学系统,针对国内现有离轴三反射光学系统多存有弧矢视场较大,子午视场很小的问题,本文基于光学系统对称性法则,设计了子午和弧矢都为5°,波长为3～5μm的矩形双向大视场离轴三反系统,其焦距为400mm,F#为8。利用光学系统结构参数和反射镜的非球面系数,调整三镜的偏心及倾斜来消除畸变及其它像差,系统光学传递函数在6.5lp/mm时优于0.71,全视场均方根波像差达到λ/250,均方根最大弥散斑半径不超过7.0μm,达到衍射极限。另外,系统在各个谱段全视场范围内的最大畸变量小于0.04%。设计的系统可用于红外及可见波段,成像质量均良好。

改进的离轴三反光学系统的设计

基于离轴三反光学系统(TMA)的一般设计方法,总结了设计要点。以两个基于三反光学系统的设计为实例,阐述了通过合理地安排光学结构、将次镜设计为球面反射镜、主镜和三镜在球面基础上改变高次非球面系数等,可使离轴三反光学系统的设计结果接近衍射极限,传递函数在50lp/mm时都接近0.6,Strehl率由通常的0.91提高到0.93。与传统离轴三反系统相比,相机加工公差和面形加工公差从原来的λ/50放宽到λ/40,主、次、三镜的装调公差放宽了4倍。文中的设计降低了相机的加工及装调难度,有助于系统光学特性实现衍射极限,为三反光学系统的广泛应用提供了借鉴和实用参考。

离轴三反消像散多光谱相机调焦系统设计

空间环境的恶劣经常导致航天相机的成像平面偏离焦平面产生离焦,从而影响遥感成像质量。本文针对某航天离轴三反消像散多光谱相机设计了一种调焦系统对成像平面的离焦进行有效补偿。首先,分析了相机的离轴三反消像散光学系统和CCD焦平面的特点,确定调焦方式并阐述调焦系统工作原理。然后,介绍了调焦系统构成以及调焦控制器环境适应性、步进电机力矩选择、调焦传动机构的设计参数和位置编码器,推导出了调焦精度与调焦机构参数及编码器分辨率的关系,分析了调焦系统所能达到的调焦精度。最后,通过调焦系统测试了调焦行程内CCD焦平面直线位置与编码器码值的对应曲线。对闭环控制方式测试数据的计算分析显示,闭环调焦精度在3σ情况下为±3.11μm,满足相机调焦控制精度±10μm的要求。

空间三反相机调焦范围的确定

为了提高空间相机对温度的适应能力,改善相机成像质量,研究了如何通过调焦放宽相机的热控指标,降低相机热控难度的问题。推导出了纯反射离轴三反光学系统中后截距及相机受温度影响下焦面离焦的数学公式;分析证明了相机离焦量与温度变化是线性关系,并计算得到了常数项K值。计算显示,当反射镜材料的线胀系数与相机支撑框架材料线胀系数一致时,焦面不产生离焦;而两种材料线胀系数差距越大,离焦量就越大。利用离焦传递函数公式证明了当相机温度水平变化超过±1℃时(对应离焦量0.05mm),就必须采用机械调焦的方法对其加以补偿;利用光机热集成仿真的方法,得出保证相机成像质量的温度范围Δt,完成了从光学指标到温度指标的转换。利用离焦公式,得出了相机的调焦范围。最后,在热真空环境下试验验证了上述焦面离焦的数学公式及相机温度水平变化±4℃时离焦量为±0.184mm是相机合适的调焦范围。

空间相机消杂光设计及仿真

针对空间相机中的杂光会引起像质模糊和对比度下降问题,设计了空间相机消杂光机构。研究的空间相机基于同轴三反系统,消杂光机构主要由内外镜筒、视场光阑、里奥光阑和挡光板组成。在内外镜筒的设计中参考了卡塞格林系统的设计方法并利用CAD建模进行辅助设计。为了对消杂光效果进行评价,采用了基于计算机随机光线Monte-Carlo仿真方法。介绍了对表面的散射特性进行描述的双向散射模型、关键面的选取和模型的建立。利用计算机分析得到了空间相机的杂光系数和点源透射比的曲线,子午方向+10°入射的杂光在像面造成的杂光系数在0.35%以下,0～20°的非成像视场点源透射比为10-6量级,该结果可作为进一步优化设计消杂光系统的参考依据。

离轴三反空间相机主三镜共基准一体化结构

针对采用离轴三反(TMA)光学系统的空间相机中光学系统主镜和三镜的轴向位置接近的特点,提出了主三镜共基准一体化结构来提高光机结构的精度和稳定性。利用一块高刚度、高度轻量化整体背板替代分离的主镜和三镜背板,以实现主镜和三镜光学加工、检测和装调的基准统一。由于此整体背板同时也是主框架的组成部分,故降低了结构整体重量,提升了光机结构动/静态刚度。对采用主三镜共基准一体化结构的空间相机进行干涉检测,结果表明主镜和三镜的各视场镜面面形最大分别为0.024λ和0.013λ,均满足光学公差要求。对铝结构样机进行了多入多出(MIMO)自由模态测试,测得一阶模态频率为48 Hz,对应原理样机一阶约束模态频率114 Hz,满足结构刚度要求。在离子束光学精加工过程中,通过分时对主镜和三镜进行加工,省去了主镜和三镜分离结构加工用的散热时间,加工效率提高了约50%。主、三镜共基准一体化结构的应用提高了离轴TMA空间相机的性能和光学精加工效率,为高分辨力宽视场空间相机的光机结构设计提供了参考。

离轴空间遥感器主支撑结构设计

长焦距离轴三反(TMA)空间光学遥感器各光学元件的位置精度和动态稳定性与其主支撑结构相关,因此,本文研究了遥感器主支撑结构设计方案。对比分析了主支撑结构的常用形式,确定了桁架结构方案,并对其进行了材料选择和连接工艺分析。推导了三杆结构(桁架基本单元)的一阶频率解析式,并确定了其最佳形式。在初始设计的基础上,利用灵敏度分析和参数优化设计方法得到了一种24杆式主支撑结构。作为验证,对该支撑结构进行了静态翻转和动力学试验。试验结果表明,主支撑由竖直状态翻转到水平状态后,前端倾角变化小于10″,一阶固有频率为55Hz,振动试验中支杆最大应力为135MPa,满足各项设计指标要求。

离轴三反航天测绘相机焦距的计算

为了精确计算离轴三反相机的焦距以保证其测绘精度,对经典测绘模型和相关公式进行了必要的修正。首先,重新定义了离轴三反测绘相机的交会角,并对经典焦距计算公式做了修正;其次,分析了地球曲率对离轴三反测绘相机焦距计算的影响,进一步修正了焦距计算公式。实例计算表明:当要求地面像元分辨率为2m,在CCD像元尺寸为8μm,轨道高度为700km,离轴角为7°条件下,应用经典计算公式得出的斜视相机焦距与应用修正后的计算公式所得出的斜视相机焦距相对偏差达到2.6%,说明对测绘精度影响很大。因此,在采用离轴三反相机进行摄影测量时,斜视相机焦距的计算应考虑离轴角后对经典公式进行必要的修正,而正视相机的焦距计算可以沿用经典计算公式。

离轴三反测绘相机调焦机构的设计

针对测绘相机对相机成像质量和内方位元素稳定性的要求,在分析3种调焦方式特点的基础上,确定了符合离轴三反测绘相机需要的调焦方式。设计了滚珠丝杠驱动的直线导轨式调焦机构,计算得到调焦机构的灵敏度为0.2μm。对该调焦机构进行了精度检测和试验验证,结果显示其指向精度<2″,定位精度<3μm。得到的结果表明:该空间调焦机构具有结构紧凑、刚度高、位移精度好等特点,能够满足离轴三反测绘相机的调焦要求。

大口径离轴长条形反射镜的检测支撑机构

针对大口径离轴长条形反射镜光轴水平向检测的需要,设计了一套检测支撑结构。优化了结构参数,实现了由支撑结构引起的镜面面形误差最小化。通过比较长条形反射镜光轴水平向检测支撑的级联多点支撑结构,选择了结构简单、扩展性和调整性优良的两点单层固定支撑结构。利用集成仿真与优化方法,分析计算反射镜镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势,确定了最优支撑间隔。最后,利用干涉仪结合补偿器的检测方式,对不同支撑间隔工况下镜面面形进行检测,验证了仿真分析的可靠性。结果表明:在支撑间隔为564mm时,由检测支撑引起的镜面面形误差最小(RMS=8.26nm),干涉检测得到的镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势与仿真得到的趋势相符,仿真结果可靠性高。提出的方法可实施性好,可推广到其他大口径离轴长条形反射镜的设计和检测中,为离轴三反(TMA)相机的设计提供技术基础。

空间同轴三反相机前镜身结构设计与验证

空间同轴三反相机前镜身结构支撑相机的主、次镜,影响相机的成像性能和稳定性,是光学系统的敏感环节.针对长焦距空间同轴三反相机光学系统,为了获得刚性好、温度稳定性好的前镜身结构,本文从殷钢、碳纤维这二种低膨胀系数、高刚度的结构材料进行了优选,通过有限元分析比较,选择力学特性更好、重量更轻的碳纤维复合材料;通过力学特性和光学特性对前镜身构件三杆或四杆结构形式中进行了选择,优选了三杆结构形式;最终方案为碳纤维复合材料材薄壁筒和钛合金三支杆构成前镜身光机结构,采用遗传算法优化结合有限元分析计算对前镜身构件中的次镜连接杆结构进行了尺寸优化,使其重量减轻43%,一阶频率提高14%,热变形减小26%,满足了设计要求.通过对产品实物进行力学试验、尺寸稳定性真空稳定性试验和温度稳定性试验,测试了相机前镜身结构的各项性能,验证了前镜身结构工程设计的正确性.

宽视场长波红外光学系统设计

介绍了宽视场长波红外(LWIR)光学系统技术指标。离轴三反射镜消像散(TMA)型光学系统光谱覆盖范围宽,可提供一个空间分辨率高、观测范围大的无遮挡视场,能够在 F 数相对较小的光学系统中实现接近衍射极限的光学性能。TMA 型光学系统能满足推扫式 LWIR 扫描仪所要求光学系统大观测视场、高光学效率等指标,可作为预先研究星载遥感仪的光学结构。

计算机辅助装调与传统基准传递技术相结合实现三镜消像散系统的装调

为满足复杂航天光学系统对精度的要求,克服传统基准传递技术与计算机辅助装调技术对多于3片反射镜的复杂光学系统进行装调时存在的局限性,提出了两种技术相结合的装调方法。采用提出的方法对三镜消像散(TMA)空间相机进行了装调,结果显示:三镜在Y向和Z向的失调量分别由18.651和9.879 mm降低到1.036和0.102 mm,系统波前差达到全视场平均值1/14λ(RMS)。结果证明:此方法能有效缩短装调时间并达到系统要求的精度指标,对于多镜复杂光学系统装调具有指导和参考价值。

三反射镜空间遥感器的光学设计

通过选取三镜消像散(Three-mirror anastigmat,TMA)的结构形式介绍了共轴系统离轴使用的方法。TMA系统由三个二次曲面镜、一个变形镜和一个快速稳像镜构成。根据三镜系统的初级像差理论推导出了系统的初始结构,利用自动光学设计软件Zemax对初始结构进行了像差优化设计。采用两种优化方法来保证系统的出瞳与变形镜重合,以便于校正主镜的剩余误差。所设计出的光学系统的成像质量可接近衍射极限,满足了系统对成像质量的要求。