共形窗口像差特性与检验方法的研究

新型飞行器需要满足高速度、高精度、航程远的要求,而传统半球形整流罩在高速度条件下会受到热的影响,不能很好地满足上述要求。新型的共形光学窗口可以明显降低热影响,提升飞行器的空气动力学性能。本文主要论述了共形窗口的数学特性、像差特性,并重点介绍了一种新型零位检测方法。基于补偿法的原理,文中针对一个口径70mm的共形窗口,设计了相应的补偿器,最终设计波像差为0.0392λ(λ=632.8nm),可以满足实际需求。

基于固定校正板和透镜阵列的机载共形窗口像差校正

为了校正大扫描视场机载共形窗口引入的像差,提出一种基于固定校正板和透镜阵列的静态校正方法。首先使用固定校正板校正静态像差;然后在像面前安置固定的透镜阵列,利用透镜阵列中的各个透镜单元分别校正不同扫描角度的动态像差;最后基于所提方法设计应用在机载共形光学系统中的像差校正器。设计结果表明,所提方法在±42°的扫描视场范围内能够良好地校正共形窗口引入的像差。与其他动态或静态校正方法相比,所提方法可以实现大扫描视场机载共形光学系统像差的校正,同时降低机载共形光学系统的质量,提高系统的稳定性。

典型光学窗口流场的气动光学效应数值模拟

采用延迟脱体涡模拟方法计算共形光学窗口转塔和平面光学窗口转塔的绕流流场,并根据绕流流场定量分析在转角0°、90°和180°下两种光学窗口的气动光学效应和远场衍射结果。采用Zernike多项式拟合波前,并结合自适应光学分析两种光学窗口所发射光线的传输性能。结果表明:在无自适应光学矫正下,平面光学窗口在0°和180°转角下的光线传输性能优于共形光学窗口,90°则相反;在自适应光学矫正平移、倾斜、离焦和像散等低阶项时,共形光学窗口在90°和180°转角下其光线传输性能都优于平面光学窗口;而在0°转角下,两种光学窗口的光线传输性能相近。随着转角的增大,两种光学窗口气动光学效应中的高阶项不断减小。值得注意的是,近场畸变的光线在远场衍射后的光强峰值可能会大于未畸变光线远场衍射的光强,且其光强峰值位置会严重偏移。

航空共形光学窗口的设计方法

航空共形光学窗口的外表面形状由空气动力学要求确定,常常是某种非对称的自由曲面,它在光路中会引入大量像差。通过将窗口内表面面形优化设计成适当的自由曲面,可以实现对外表面引入像差的校正。研究了适用于共形窗口的自由曲面的特点。给出了自由曲面共形窗口的具体设计方法。分别针对在窗口后加入的不同光学设计参数的中波红外光学系统设计相应共形窗口,设计结果表明,使用这种方法设计完成的自由曲面共形窗口校正了窗口外表面引入的大量像差,且对其后相应光学系统的成像质量影响很小。

基于自由曲面校正器的机身共形光学系统设计

现有扫描式机身共形光学系统均使用了动态校正器,但动态校正器的使用会造成光学系统稳定性差且光机结构复杂。为提高机身共形光学系统在实际应用中的稳定性,简化光机结构,提出了一种基于自由曲面校正器的机身共形光学系统静态校正方法。基于飞机应用,利用该校正方法设计了一个瞬时视场为3°、全扫描视场为30°的机身共形光学系统。设计结果表明:通过在倾斜的共形窗口后面加入两个倾斜的静态自由曲面校正器,可使共形窗口引入的静态像差和动态像差均得到校正,整个共形光学系统在各扫描视场位置的成像质量均接近衍射极限。同时,相比于动态校正器,静态自由曲面校正器的使用提升了该系统的稳定性,简化了系统的光机结构。

特殊整流罩窗口的非对称像差研究

分析了居中球形整流罩的波像差和偏心球形整流罩的波像差。为了分析共形整流罩的一般像差特性,建立了不同类型的整流罩模型,重点分析了像散和彗差,讨论了一阶和五阶像差,并与球形整流罩和偏心球形整流罩的相应像差做了比较。分析了长宽比、边缘厚度与顶点厚度比对像差的影响。

特殊光学元件的新型子孔径拼接检测方法研究＊

使用新型的特殊整流罩窗口可以明显地提升飞行器的空气动力学性能,但由于这种共形窗口光学表面的复杂性,传统的非球面检测技术已经较难满足要求.本文提出了一种新型子孔径拼接检测技术,在建立新的检测原理基础上,还重点介绍了这种检测方法的设计.同时基于补偿法的原理,文中还针对一个口径70mm的共形窗口,设计了相应的特殊补偿器,其最终剩余波像差(RMS)为0.0515λ(λ=632.8nm),可以满足实际使用要求.