一种改进型的红外卡塞格林光学系统设计

在卡塞格林光学系统的设计中引入曼金反射镜、中继镜组,以提高卡塞格林光学系统承担视场和相对孔径的能力。通过设计实例表明,这种改进后的卡塞格林系统承担视场、相对孔径的能力得以很大提高,像质、结构长度满足设计的要求。

改进型卡塞格林光学系统的设计

普通的卡塞格林光学系统,其主次镜分别由抛物面和双曲面组合而成,非球面镜的加工难度大、成本高,针对这些特点对卡塞格林光学系统进行了改进。改进型的卡塞格林光学系统与传统的卡塞格林光学系统对比具有加工难度小、成本低等特点,通过在系统最前面附加前校正组,使得主次镜可以由球面面型实现,通过在像面前设置后校正组使视场也得到了提高,与传统的卡塞格林光学系统20'相比,它的视场可以拓宽到1.3°。系统设计结果通过传递函数与点列图的分析与衍射极限非常接近,为中等口径卡塞格林光学系统的设计提供了一个新的思考方法。

失调卡塞格林光学系统像差特性的研究

以矢量波像差理论为基础,对卡塞格林光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调的卡塞格林系统不会引入新的像差,只是会导致三阶像差在像面上的分布发生变化,球差在全视场内为常量,彗差零点不再位于视场中心,像散在视场内存在两个零点且不再关于中心视场对称。在校正失调产生轴上彗差的情况下,卡塞格林系统的一个像散零点位于轴上视场,轴上视场的像差接近于零,但是边缘视场的像散依然较大,因此在卡塞格林系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差来确定系统的装调状态。利用CODE V对失调卡塞格林系统的像差在视场上的分布进行仿真,结果表明利用矢量波像差理论可以对失调卡塞格林系统的像差进行定性分析,以提高卡塞格林系统的装调效率。

含衍射透镜的4^d视场卡塞格林光学系统

为了改善卡赛格林光学系统的视场,首次将衍射透镜成功地引入大视场卡赛格林光学系统的设计中并给出了设计方案。该系统在次镜后使用了三个校正透镜且第一个透镜的前表面具有衍射面。此系统能在4°视场内获得接近衍射极限的成像质量,各视场的波前差均小于1/4波长,光学传递函数接近衍射极限。设计结果表明,衍射光学元件对于改善卡赛格林系统的视场具有重要的作用,此设计方案降低了对加工工艺水平的要求,成本大大降低,使设计结构紧凑且具有良好的消像差特性,从而找到并实践了提高卡赛格林光学系统视场的新途径。

基于卡塞格林结构的近地层紫外通信发射光学系统设计

发射光学系统对近地层紫外通信系统的性能提高具有重要作用,为此设计一种适用于近地层紫外通信的发射光学系统。通过分析、比较,该系统采用卡塞格林结构形式,主镜为抛物面,次镜为双曲面,在中紫外265nm^270nm、环境温度-60℃~60℃下工作。经过优化设计,结果为:系统焦距450mm,系统总长200mm,发射角2°,MTF值大于0.31,工作温度稳定性良好。

含衍射透镜的卡塞格林红外光学系统设计

该设计将衍射透镜引入到卡塞格林红外光学系统中。设计结果表明,衍射透镜的引入增大了卡塞格林光学系统的视场和相对孔径,改善了成像质量;同时也降低了加工工艺的要求,大大节约了成本。

基于卡塞格林原理的火焰自由基测量系统

为了拓展火焰自由基荧光强度的测试方法,基于卡塞格林光学原理设计火焰非接触式定点测量系统,该系统可以实现对火焰自由基荧光强度的三维局部定点测量,具有定点聚焦及动态信号采集的功能.利用逆光路原理对自行设计的卡塞格林光线定点采集装置的聚焦功能进行验证,实验结果表明,该装置可以采集直径为0.382mm,长为1.628mm区域内的光线,具有三维高空间分辨率.基于甲烷部分预混火焰的OH基、CH基的光强随半径方向的分布数据分析,证明卡塞格林光线定点采集装置在火焰自由基荧光强度中定点测量的有效性与高空间分辨率特性.

消除卡塞格林系统杂光的措施

对卡塞格林系统的杂光进行了分析，并提出了消杂光的措施。

一个新的泛卡塞格林望远镜系统

将卡塞格林系统的主镜及次镜都取球面,在焦面前加2片以上改正透镜,而将作为密封窗的平行平板的一面加4次方项,可以设计出具有相当大视场,像质优良的新光学系统。平板上的4次方非球面是凹面性质,它的制造,在周边铰支而外加均布载荷时可以加工为球面,释放均布载荷后该面即弹回成所要的4次非球面。所以,此系统从光学工艺角度看只有球面和平面。文中设计了4个不同相对口径系统:F/3,F/5,F/8,F/10。口径和视场相同:φ=300mm,2ω=1°,像质都接近或达到衍射极限。

二次圆锥曲面卡塞格林系统有限目标距离波象差的理论计算

在理论上采用逐次逼近法求解转面光线入射点直角坐标数值，进一步，计算了我国自适应光学实验系统中的Φ４５０ｍｍ抛物面主镜卡氏双镜系统的有限目标距离的球差、波象差等参数．理论计算结果已成功用于改善该系统的信号接收能力．

用计算全息法检测卡塞格林系统主镜

为实现对卡塞格林光学系统中的非球面主镜表面面形的高精度检测,设计了一种二元位相型计算全息图(CGH)。介绍了工作原理,对CGH的相位模型参数的优化设计、衍射次级分离以及台阶位置与深度计算等关键问题进行了讨论。通过引入虚拟玻璃的概念快速建立非球面检测模型,针对卡塞格林系统主镜中心开孔的特点,通过加入同轴载波实现了衍射次级的完全分离,相比目前常用的倾斜载波方法简化了相位量化复杂度,数值仿真计算出了最优的台阶深度,降低了加工难度。给出了相应的设计方法及实例,研制投产了CGH。测试得到主镜面形的均方根误差为0.018λ,并与传统补偿器结果(RMS=0.019λ)进行对比,两者测试结果吻合,验证了该设计与检测方法的正确性,该设计方法简单快捷,适用于卡塞格林光学系统主镜面形检测。

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

成像光谱仪是一种"图谱合一"的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5nm,MTF在50lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6μm范围内,波长各视场在特征频率50lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。

高精度光学系统光机热耦合分析方法与实现

高精度光学系统容易受到空间环境的影响,在高温、结构载荷等作用下光学系统像质变差,需要进行光机热耦合分析。但光学、结构、热学仿真等学科的独立发展,导致数据不能有效地耦合和传递。提出了一种跨学科耦合分析方法。采用集成分析思想,以多项式拟合为接口,解决了光学元件表面的不规则变形问题。通过最佳拟合刚体位移、最佳拟合曲率半径、多项式拟合等过程,实现了有限元分析工具与光学分析工具的耦合分析。以卡塞格林系统作为测试研究对象,验证了该方法的有效性。为评估在极端工况下光机系统的光学性能以及系统的设计优化提供了参考。

空间成像与激光通信共口径光学系统设计

针对空间成像系统与激光通信天线同时需要大口径光学系统而使卫星载荷质量增大的问题,提出了一种成像光学系统与收发合一激光通信天线共口径工作的新型光学系统。从像差理论出发,给出了以主次反射镜为共用部分、成像和通信工作在不同视场的共口径光学系统初始结构设计方法。实际设计了共口径光学系统,该系统口径为600mm,次镜遮拦比为0.225,成像系统的传递函数在50lp/mm时大于0.47,接近衍射极限;发射分系统波像差远小于λ/20,发射激光的最小束散角可达4μrad,出射光斑质量良好;接收系统达到衍射极限,光斑远小于探测端面,满足探测要求。最后,进行了公差分析,给出了光学系统的装调方法。该设计通过共用主次镜减少了系统总质量和总体积,同时满足空间成像和激光通信系统的性能要求。

超分辨卫星载荷光学系统杂散光抑制

为了进一步提高超分辨卫星载荷光学系统的空间分辨能力,需对系统杂散光进行抑制,以得到准确的原始图像.通过光线追迹方式,分析了系统杂散光,确认了杂散光的来源.通过Tracepro定量化分析和结构有限元分析,在限制范围内,不断优化、改进遮光罩尺寸及挡光环位置,得到光学系统视场外点源透射比均在10-3以下,验证了该杂散光抑制方案的有效性,为卡塞格林光学系统的工程应用提供参考.

多谱段共孔径跟踪/引导系统光学设计

共孔径光学结构可以充分利用长焦距、大孔径光学系统高分辨率的特点,是光学系统发展的重要方向之一。文中设计了一套可见光成像、激光成像和激光测高共孔径的跟踪引导系统。共孔径设计结合了高分辨率的可见光系统与高测量精度的激光系统,使系统既可以获得目标的高清图像,又可以得到目标的相对位置信息。同时,共孔径光学结构可以压缩系统尺寸,降低光学系统在跟踪过程中的转动惯量,有利于系统的整体实现。可见光子系统的焦距1 200 mm,F数6,视场±1.2°;1 064 nm激光成像子系统焦距1 500 mm,F数7.5。各系统的成像质量均接近衍射极限,并通过公差分析验证了系统的公差分配结果。

外场多光轴平行性测试的光学系统设计

针对外场条件下因大气环境影响导致多光轴平行性误差的问题,设计了一种可见光、1.06μm激光及8～12μm的长波红外多光轴平行性测试的光学系统,系统采用卡塞格林系统为共光路并以可见光为基准光轴。卡塞格林系统的主次镜均采用双曲面校正球差及慧差,添加校正透镜减小了轴外像差。设计结果表明,该光学系统成像质量达到了衍射极限,在大气环境中的光学性能满足要求,保证了外场多光轴平行性测试。

基于长焦距、大口径反射式光学系统成像的工艺技术研究

文中以焦距4 000mm、口径Φ400mm的反射式平行光管精密调试、检测工艺方法为研究对象。作为某光学系统的检测与标定基准,该平行光管在成像质量、分辨率、出射光束平行性等关键指标都有极高的要求,重点从主镜微应力粘接、主次镜光学间隔精确调节、主次镜光轴一致性调节和分划板位置精确标定等关键工艺环节入手进行了深入研究,并利用自准直法进行了精密调试、检测。最终得到的平行光管系统分辨率≤0.8″,出射光束平行差≤3″,星点能量集中,无明显像差,十字分划板竖刻线与安装基准铅垂,综合性能指标达到设计要求。

基于折/衍混合的机载红外光学系统设计

为实现机载红外光学系统大口径、长焦距、轻量化、高像质、非热敏化的技术要求,通过对反射式光学系统设计模型及其理论参数的研究分析,选取卡赛格林光学结构型式,提出一种基于折/衍混合的机载大口径长焦距非球面红外光学系统。经过初始结构计算,并利用ZEMAX软件进行优化,设计出一款焦距1200 mm、口径260 mm的折/衍混合红外光学系统,遮拦比18%,在空间频率10 lp/mm处,调制传递函数(MTF)达到0.45,接近衍射极限,全视场弥散斑控制在20μm以内,在-50^+70℃温度范围内实现非热敏化。该系统结构简单,由两个反射镜和一组透镜组成,设计结果满足各项任务指标,对机载红外光学系统的进一步研制具有重要意义。

长焦距大口径红外光学系统的优化设计

针对某长焦距大口径光电设备的特殊要求,基于卡塞格林光学折反系统达到了较好的红外成像质量和紧凑的结构尺寸。首先通过计算对红外光学系统进行了初步焦距分配;然后对卡塞格林反射组件和红外组件进行了分段优化设计,特别是为克服温度变化对焦距和像质的影响,在后组设计三片透镜作为调焦组,保证了成像质量;最后,为了消除杂光的影响,分别对轴上、轴外光线进行追迹并设计了主、次镜遮光罩。设计结果分析表明主要指标均满足设计要求。