大型自由曲面离轴三反光学系统降敏设计(特邀)

离轴三反光学系统基于无孔径遮拦、可实现大视场等优势,结合自由度高、像差校正能力强的光学自由曲面,可以实现优异的光学性能。光学系统成像指标的不断提高促使反射式光学系统的口径和焦距不断增大,光学系统误差敏感度剧增,加工难度和装调敏感度也随之提高,耗费的时间和经济成本巨大。误差敏感度可以表征光学系统在失调后的敏感程度,误差敏感度低的光学系统公差精度要求宽松,在优化过程中控制误差敏感度可以实现像质与成本之间的最佳平衡。因此,降敏优化是光学系统设计过程中不可或缺的一环。文中提出的角度优化降敏设计方法和局部曲率控制降敏设计方法对一个焦距30000 mm、F数为15、视场角1°×1°的大型自由曲面离轴三反光学系统进行了降敏设计并进行对比,结果表明,在光学系统构型无显著差异的情况下,使用两种降敏设计方法降敏后的光学系统像差校正理论结果均表现优异,调制传递函数(MTF)均接近衍射极限,两种降敏设计方法均可以有效降低光学系统误差敏感度。对比发现,局部曲率控制降敏设计方法降敏效果更好。

紧凑式离轴三反光学系统设计

为解决地球遥感观测和星载激光雷达探测等领域对空间光学系统尺寸小型化、结构紧凑和高分辨率的要求,本文设计了一种基于Zernike自由曲面的紧凑式离轴三反系统,同时满足了长焦距、小畸变和宽工作波段的要求。该系统采用非对称、近圆形布局的离轴三反光学系统,并在第三反射镜采用了自由曲面的设计,通过在Zemax软件中设置适当的优化目标和方法,对光学系统进行设计优化。最终该系统有效焦距为800 mm,F数为4,视场角为12°×6°,畸变小于1%,工作波段覆盖可见光及近/中红外波段,在400 km轨道高度实现了1.5 m的地元分辨率(可见光)和2.5 m的地元分辨率(近红外),地面幅宽为80 km×40 km。并进行了系统像差、点列图、MTF等性能指标评估的分析与验证,结果表明该设计方案带来了高分辨率并提升了信息获取能力。

主三镜一体化离轴三反光学系统设计

离轴三反光学系统具有成像质量高、可实现大视场、无遮拦等优点,但其装调难度大,镜面支撑结构质量大。为解决这些问题,基于三级像差理论,研究一种主镜、三镜可集成一体化的大视场离轴三反光学系统,并以焦距为1 200 mm,F数为12,视场为10°×1°的光学系统为例进行了验证设计。结果表明:调制传递函数接近衍射极限,视场内平均波像差RMS值为λ/55,最大波像差RMS值为λ/22。设计结果显示,光学系统装调自由度由12个减少到6个,可使光机系统可得到简化,实现了主三镜一体化设计。

高分辨率空间相机共轴三反光学系统实现形式研究

为了设计出高分辨率空间相机的光学系统,研究了反射式光学系统中存在次镜对主镜的中心遮拦等问题。通过对共轴三反射光学系统结构参数和最终视场在像面上的分布情况的分析,提出了半视场、全视场和环形视场3种光学形式,设计了焦距为3 000 mm、F数为10的3种形式的共轴三反光学系统。设计结果表明:3种共轴三反光学系统在有效视场角内成像质量均接近衍射极限,可以满足高分辨率空间相机不同的使用要求,指出半视场共轴三反光学系统适合于线阵CCD推扫成像,全视场共轴三反光学系统可用于面阵CCD凝视成像,环形视场共轴三反光学系统可实现一台相机上全色和多光谱成像的要求。

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。

新型大视场无遮拦三反光学系统设计

针对传统形式三反光学系统难以实现大视场的缺点,提出了一种基于反摄远结构的三反光学系统,并获得初始结构参数求解方程。在反摄远结构三反光学系统中,将主、次镜组成反转伽利略望远镜结构形式,以便简化三反光学系统初始参数的求解方程,最终通过视场偏置的办法实现无遮拦设计。基于上述方法,采用光学设计软件Code V设计了焦距f=100 mm,F数为5,视场为20°×20°。像质评价结果表明,系统在空间频率为50 lp/mm处的MTF值均大于0.6,像质优良。与其他三反光学系统相比,该系统不仅具有大视场,而且仅使用了两块非球面反射镜,降低了系统成本。

长焦距离轴三反光学系统杂散光的抑制

对有中间像的长焦距离轴三反系统的杂散光特性进行了模拟分析,并提出了相应的杂散光抑制方法。通过正追和倒追的分析方式,确定系统杂散光的主要来源,找到系统的重要面;根据分析结果,提出了杂散光抑制措施,用系统重要面的变化定性评价杂散光的抑制效果。分析结果表明,采用抑制措施后很好地抑制了系统的一次散射杂散光。用点源透过率(PST)定量评价光学系统的消杂散光能力,分别计算东西、南北方向离轴角为±40°的PST值,并结合光机系统的应用环境对系统的杂散光抑制能力进行了定量分析。

相位差异的三反光学系统波前传感技术

分析了基于相位差异(Phase Diversity,PD)的波前传感技术的基本原理,针对该技术的目标函数自变量多、非线性程度较高等特点,提出基于遗传算法(Genetic Algorithm,GA)的改进相位差异技术。在传统目标函数的基础上增加了Tikhonov正则项,提高了算法的稳定性和收敛效率;对光学系统利用PD技术波前检测的噪声适应性进行了仿真分析;模拟了不同波前离焦量对检测精度的影响,获得最优的波前离焦相位值并应用于检测实验;利用PD技术分别对离轴三反光学系统的中心视场和边缘视场进行波前检测,并将解算得到的Zernike系数和波前图分别与干涉检验的结果进行对比。实验结果表明:相位差异技术与干涉检验的偏差小于0.013λ(RMS),其检测精度满足工程需求。

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。

主动随机送风条件下大口径离轴三反光学系统的计算机辅助装调

气流扰动是决定大口径、长焦距光学系统波前检测精度的重要因素,进而影响光学系统装调的效率和质量。针对该问题,提出采取主动随机送风来抑制气流扰动对波前检测的影响。实验结果表明,通过主动随机送风,可以提高系统波前检测的稳定性,Zernike系数测量结果标准差由0.04降低到0.01以下。进一步地,在主动随机送风条件下完成了一个0.5 m有效通光口径,6 m焦距的离轴三反消像散光学系统的计算机辅助装调。经过两轮迭代,系统波像差RMS平均值由0.49λ降低到0.086λ,满足系统像质要求。通过主动随机送风可以有效地抑制气流扰动对大口径、长焦距光学系统波前检测的影响,从而为计算机辅助装调提供稳定、正确的波前数据,提高了系统装调的效率和质量,这对于研制大口径光学系统具有重要意义。

紧凑型离轴三反光学系统的自由曲面设计

光学加工和检测技术的提高为自由曲面的应用开拓了新的领域,紧扣空间光学对压缩系统体积和实现系统性能提升的需求,提出一种可快速获得的紧凑型离轴三反光学系统初始结构,通过3个镜面折叠交叉排布,极大地压缩了系统体积;另外,节点像差理论为自由曲面应用提供了强大的理论基础,在优化过程中,两片镜子采用了泽尼克多项式面形。通过设计实例验证发现,最终系统具有结构紧凑、大视场、小F数等优点,同时该设计方法的优化过程具有收敛速度快等特点。

具有二次成像的紧凑型离轴三反光学系统设计

从杂散光抑制与体积压缩的需求出发,设计出具备二次成像、实出瞳的紧凑型离轴三反光学系统。给出了一种二次成像离轴三反光学系统的初始结构搭建思路,并运用自由曲面优化系统,依据该方法设计出了焦距130 mm、F数1.3、线视场5°×0.1°的离轴三反光学系统。系统成像质量接近衍射极限,具有二次成像和实出瞳的杂光抑制特性,理论上可以实现100%冷光阑效率,具有超小F数1.3的紧凑型特点,可用于航空航天探测等对杂光抑制要求较高的军事领域。

长波红外离轴三反光学系统设计

介绍了一种基于像差理论的离轴三反光学系统初始结构的求解方法,使用此方法设计了一个适用于空间遥感系统的离轴三反光学系统。该系统的工作波段为7.7~10.3μm,焦距为1000 mm,系统F数为2,视场角为1°,给出了其具体的优化过程并进行了性能分析。设计结果表明,该系统满足空间遥感光学系统要求的长焦距、大口径、成像良好、结构紧凑等特点,验证了该方法的正确性和可行性。

大视场离轴三反光学系统设计

针对地球环境遥感的大视场和宽光谱的应用需求,在同轴三反光学系统的基础上,通过视场离轴实现了无中心遮拦,并设计了一种焦距为120 mm、F数为3.5、工作波长为0.4~1.65μm、像元尺寸为7.5μm以及采用Cook三片式结构的光学系统。在没有使用自由曲面的情况下,实现了30°×4°的大视场。其中,主镜为六次双曲面,次镜为二次扁椭圆面,三镜为四次扁椭圆面。在全视场范围内,该系统在奈奎斯特频率处的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)大于0.6,接近衍射极限。其弥散斑直径的均方根值小于探测器的像元尺寸,畸变小于2.5%,说明本文系统具有优良的成像性能。

基于光学自由曲面的离轴三反光学系统

目的是完成长焦距大视场离轴三反空间光学系统的有效设计以及研制,进而对自由曲面光学数理模型进行描述。完成立足于自由曲面的离轴三反光学系统的设计分析。其焦距大小为4500mm,同时其成像视场角大小为11°。同时还直接对比分析了传统离轴三反光学系统跟次镜为自由曲面离轴三反光学系统关键性能。光学系统中设计中需要从根本上使用自由曲面设计的光镜,促使光学系统像差平衡能力得到基础的保证。最后选择最佳的方案,相对孔径大小为D/f=1/9.0,促使光学自由曲面离轴三反光学系统得到有效设计。

大视场离轴三反光学系统设计

与传统折射光学系统相比,离轴反射光学系统具有小体积、轻量化和无色差等特点,因此被广泛应用于望远镜系统和空间观测系统等领域。随着目前自由曲面的广泛应用,首先分析了离轴三反光学系统的初始结构参数确定方法,然后在系统的主反射镜设计中引入Zernike边缘矢高形式的自由曲面,最终设计了一款有效焦距为700 mm,视场角为10°,F/#为4.5,系统总长为597.58 mm的离轴三反光学系统。该系统在71.4 lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均大于0.28,畸变均小于0.1%,结果表明,该系统在有效视场内成像质量较好。该系统的设计方法对类似的离轴三反光学系统设计具有一定的参考价值。

一种三反光学系统的机械结构设计

平行光管是一种非常重要的光学仪器,在民用领域和军用领域都有着非常广泛的应用。三反光学系统是平行光管的一种,在前人研究和设计的基础上,对三反光学系统中主体结构及主镜组件支撑进行设计,并对支撑结构进行有限元分析。设计的三反光学系统机械结构稳定可靠,可以为其他三反光学系统机械结构设计提供一些借鉴。

宽光谱高分辨离轴三反光学系统设计

为了解决空间对地遥感光学系统探测波段窄、分辨率低等问题,设计了一款非球面离轴三反光学系统。对计算得到的同轴三反结构进行了视场离轴处理,优化了像差,分析及评价了离轴三反系统的成像质量。设计得到的光学系统分辨率在可见光及短、中波红外波段都得到了提升,分别能够达到2 m、3.3 m以及10 m的地元分辨率,系统三个反射镜面型均为偶次非球面,焦距600 mm,相对孔径1/4.3,视场角8°×4°,最大畸变0.4%。各波段在奈奎斯特频率处的MTF值均高于0.2,且RMS半径满足小于探测器最小像元尺寸的成像要求。实现了高分辨率、宽波段的设计目标所要求的各项指标,从而提升了系统全时间段、全天候的信息获取能力。

利用相位差异波前传感检测结果实现三反光学系统的辅助装调

阐述了基于相位差异(PD)的波前传感技术的基本原理;仿真分析了PD技术的噪声适应性及探测器离焦误差对精度的影响;利用PD技术的波前传感结果分别辅助装调了离轴、同轴三反光学系统,并分别将多视场的波前图与干涉检验的结果进行对比。实验结果表明,利用PD技术可实现三反光学系统的波前传感及辅助装调。与干涉检验的结果相比,波前传感结果的RMS偏差均优于0.02λ,检测精度满足工程需求。

利用相位差异技术检测离轴三反光学系统的波前误差

阐述了基于相位差异(PD)的波前传感技术的基本原理,针对该技术的目标函数变量多、非线性程度高等特点,提出了基于遗传算法的相位差异技术。开展了利用相位差异技术实现离轴三反光学系统在不同装调阶段的波前检测,结合干涉检验方法设计了针对扩展目标的相位差异高分辨率成像和相位估计对比实验。通过定量移动高精密平台获得焦面和离焦图像,并将解算的波前图与干涉仪的检测结果进行定量比对,验证了相位差异技术提高成像质量和正确解算波前相位信息的能力。实验结果表明,对于粗装调的光学系统,估算的波前和干涉检验结果偏差的均方根(RMS)值仅为0.0329λ;对于装调完成后的系统,相位差异技术的检测偏差RMS值小于0.013λ。