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。

大视场近红外微光摄像镜头设计

对近红外波段玻璃材料的相对部分色散进行了研究计算,分析了近红外波段长焦距光学系统的二级光谱特性。并设计了焦距180mm,F#1.2的大视场近红外微光探测物镜,该系统采用ZF、ZK类普通玻璃,且无胶合面,满足露天环境使用。

伽利略望远镜与柱面镜组合式长焦综合测量系统

为了实现定距离、较大视场范围某低速点的快速方位角及高程测量要求,采用点型光源、伽利略望远镜与柱面镜组合式长焦光学系统及双正交线阵CCD,搭建了一种复合柱面镜长焦光学测量系统.该组合式长焦光学系统无一次成像面,系统光学长度短,系统前组为伽利略型望远镜型式,接近无焦.在一定测量范围内,选择合适的前组角放大倍率和前组口径等参量,使得在不同位置的点所成线像均与双线阵CCD正交.有针对性地优化光学系统设计、选择合适的系统评价函数并对系统装调及测量原理进行准确度分析.结果表明,该系统在测量距离为10m,视场范围1.5°×1.5°内时,方位角测量误差在±2.5″以内,且系统长度较短,公差较宽松.该系统解决了光源合作目标尺寸严格受限的问题,探测器尺寸较大且成本较低.

用于高分辨率光谱仪的离轴三反射镜光学系统的设计

面对空间遥感,尤其在目标特性的精细化识别中,要求成像光谱仪具有高灵敏度、高光谱分辨率与高能量通过力等优点.在同轴三反射光学系统的基础上,采用视场离轴方式,设计了一个三镜无遮拦全反射光学系统.次镜和光阑重合,无中间像,实现了高分辨率、大视场、长焦距的要求.光学系统的基本参数为:焦距f′=1 600 mm,视场角为2w=18°×0.148°,相对孔径为1/10,3个反射面均为二次曲面.设计结果表明,成像质量接近衍射极限,用此方法设计的光学系统在航天遥感领域具有很好的应用前景.

空间太阳望远镜成像镜调焦机构模型设计与控制

根据空间太阳望远镜光学系统的要求,设计成像镜的调焦机构,由步进电机驱动丝杠带动内筒进行直线运动,从直线精度和定位精度两方面进行控制设计。同时设计了调焦机构的控制系统,包括操作系统、指令转换系统和驱动系统。由操作系统的PC电脑根据工作要求发出操作指令,经过指令转换系统,最后由驱动系统的步进电机完成指令的执行,同时经串口通信程序进行误差修正,从而保证了调焦机构的精确定位。

空间电荷中和透镜的研究

文章从理论上研究了建立空间电荷中和透镜的物理基础。给出了这种透镜的焦距公式以及合理设计和使用透镜参数的一些因素。根据本文结果所设计的一台空间电荷中和透镜,作为一个强束流聚焦单元,已使用在强流实验台上,起到了聚束作用和与后级光路系统的匹配作用。

长焦距空间相机调焦机构设计

长焦距空间相机容易因环境变化产生离焦现象,引起相机成像质量下降。根据空间相机不同的结构特点和工作环境,需要设计相应的调焦机构。从保证相机成像质量和结构空间要求的角度出发,阐述了调焦机构的工作原理和组成,进行了调焦机构的方案选择,分析了调焦机构误差分布,提出了一种由精密滚珠丝杠和直线轴承实现导向和运动方向转换的调焦机构。对调焦机构进行了力学试验和分析。试验结果表明,调焦机构较强的结构刚度和稳定性能够满足空间相机在复杂环境条件下精确可靠调节调平面位置的要求。

泰伯—莫尔法测量长焦距系统的焦距

焦距是透镜最重要的光学参数 ,应用泰伯—莫尔法测量长焦距透镜焦距具有重要的实践价值。本文介绍了泰伯—莫尔法的原理 ,详细分析了各种实验方法 ,进行分类比较 ,并提出了改进措施。

计算全息法测量长焦透镜面形和焦距

为了同时对长焦透镜的面形和焦距进行高精度检测,提出在Zygo干涉仪的球面光路中加入一个二元衍射元件作为检测件的计算全息法。首先对计算全息法检测长焦透镜的面形和焦距进行了理论推导,并给出焦距误差公式。在Zemax中使用在平面基底上制作的二元衍射元件对一个长焦透镜的面形和焦距进行了模拟检测,其中对该长焦透镜面形的干涉检测PV值为0.0034λ,对焦距的检测精度为-0.11%。最后详细分析了两类误差对检测结果的影响,其中光学元件的位置误差影响不超过0.1λ;二元衍射元件的制造误差影响约0.01λ,在具体制造过程中,其径向位置误差和台阶误差可分别在2μm和5nm之内。在综合考虑各项误差的情况下,该方法的检测精度仍然可控制在2λ/25之内。

空间小型长焦镜头的动力学分析

从结构性能、可靠性等要求出发,以有限元为基础,对空间小型长焦镜头进行模态分析及正弦响应分析,验证了该相机镜头结构设计的合理性及可靠性。

基于强度调制的波带片时间透镜研究

为了阐明强度调制波带片型时间透镜（时间强度波带片）中心波长、色散补偿量对输出光脉冲消光比、脉冲宽度等性能的影响机理,得到中心波长与焦距色散补偿量的定量理论关系,对时间强度波带片进行了建模和仿真研究。仿真研究结果表明：时间强度波带片的焦距色散补偿量与中心波长在1 310-1 550nm范围呈近似线性关系。对于不同波长,通过拟合公式可以得到焦距色散补偿量以实现最优消光比光脉冲输出。通过时间强度和相位波带片性能对比,讨论了2种波带片型时间透镜在实际应用中的相对优势。研究结论可以为设计和优化时间强度波带片以及拓展新型时间透镜器件的设计和应用提供理论指导和技术参考。

一种新的长焦距透镜的制造方法

论述了用平行平板上盘来加工长焦距透镜的方法，这种方法可避免火漆上盘引入的透镜偏心。实验证明这种加工方法重复精度好，生产效率高，适合批量生产。

激光测头用二元准直透镜的研究

通过分析现用激光测头光学系统中所存在的制约测量范围与测量精度的问题，本文提出用二元长焦深、高分辨率器件取代传统准直透镜以提高测头技术性能，并详细推导了此二元器件的设计方法，给出了相位函数表达式。通过对一个设计实例的轴上光斑变化和光能分布情况的模拟计算，并与传统透镜相比较，说明这种二元器件用作准直透镜能够提高激光测头的技术性能。表明二元光学器件用于不接触测量系统具有巨大优势。

光学系统焦距高精度测试方法

有效焦距值是光学遥感器一项重要的光学性能参数,文章提出了一种基于干涉仪的高精度自准直焦距测试方法。该方法采用激光干涉仪定焦,利用双频激光干涉仪和激光跟踪仪分别测量偏转角度和焦点移动量,大大提高了测试精度和测试效率,在不改变光学系统装调干涉测试光路的前提下,将焦距测试精度控制在0.05%以内,可在系统像质调整过程中进行系统焦距的测试;对影响该方法测试精度的因素进行了研究和分析,给出了相应的解决方法和补偿措施;最后,采用此方法对2个光学系统进行了焦距测试,验证了方法的可行性和准确性。

长焦距傅里叶变换透镜的小型化

随着光学信息处理的不断发展，傅里叶变换透镜的应用也日趋广泛．本文阐述了傅里叶变换透镜的性质及作用，主要研究了长焦距傅里叶透镜光学设计的特点，以及目前国内外在设计该类型透镜时常采用的结构形式：四组元对称或非对称双远距结构．为了能进一步缩短傅里叶变换透镜前后两焦点间的距离，使之小型化，本文尝试了一种新的结构形式，比起四组元双远距结构，在结构也较为简单的前提下，它不仅进一步缩短了两焦点间的距离，而且输入面、频谱面的象质均良好．

利用激光跟踪仪测量大口径非球面几何参数

在利用无像差点或补偿器测量非球面反射镜顶点曲率半径和二次非球面系数的方法中,一般采用测量杆来测量干涉仪会聚点到辅助镜或补偿器的距离以及辅助镜或补偿器到非球面顶点的距离。对于大口径非球面反射镜,由于顶点曲率半径长,辅助镜或补偿器到非球面顶点的距离达到几米的量级。为了提高测试精度,文章对offner补偿器面形测试光路中利用激光跟踪仪测量大口径非球面反射镜顶点曲率半径和二次非球面系数的方法进行了研究,介绍了该方法的测量原理、测量模型的建立、轴对称非球面反射镜顶点坐标的拟合算法及其它数据处理方法,并对顶点曲率半径4m量级、直径1.5m的轴对称非球面反射镜进行了测试实验,给出了测试结果和测试误差分析,顶点曲率半径的测试误差为±0.051mm,二次非球面系数测试误差为±0.000 11。结果表明,利用激光跟踪仪测量大口径非球面反射镜几何参数具有在工程上容易实现并可提高测试精度等优点。

双目智能眼镜视差快速测试系统设计

为了快速测试双目智能眼镜的视差,提出了一种用大口径长焦距镜头CMOS作为检测设备的测试系统。将大口径长焦距镜头的CMOS相机与双目智能眼镜的光轴在同一水平面上且共线,通过一次拍摄得到双目智能眼镜的显示画面,借助十字刻度测试图作为图像源,快速计算出双目智能眼镜的视差。论述并推导了双目智能眼镜视差产生的数学模型及计算公式,分析了系统误差来源。实验结果表明,一次拍摄就可以得到表征双目视差的图像;相机图像采集精度误差为2.47″;测试图读数误差为3.7′;测试图读数测试法与实际测试结果的误差为3.85′,满足快速高效测试双目智能眼镜的要求。

空间相机共轴三反红外光学系统设计

针对空间光学系统长焦距、大视场、轻质量、小外形尺寸、大相对孔径、高成像质量的特点和发展趋势,利用ZE-MAX求解并优化空间相机共轴三反光学系统的结构参数,设计出了焦距为5 000 mm,F数为10的共轴三反射光学系统。设计结果表明:该系统视场角达8°,空间频率为50 lp/mm,调制传递函数值均大于0.4,接近衍射极限,满足高分辨率空间相机不同的使用要求。该设计对空间相机红外光学系统结构选型、设计与制造具有一定的理论指导作用和意义。

相位波带片型时间透镜研究

基于Opti-System软件,对相位波带片型时间透镜进行了深入研究。明确了中心波长对相位波带片型时间透镜焦距色散补偿量的影响机理,建立了中心波长、色散补偿量与输出光脉冲消光比及脉冲宽度间的关系。研究结果表明,相位波带片型时间透镜的焦距色散补偿量,在1 310~1 550 nm波长范围与光信号中心波长呈近似线性关系。通过线性拟合,得出焦距色散补偿量与中心波长的线性关系公式。对于不同波长的输入光波,可通过公式确定最佳焦距色散补偿量,实现最窄脉宽和最优消光比的光脉冲输出。研究结果可为优化相位波带片型时间透镜设计提供理论指导,进而拓宽相位波带片型时间透镜的应用范围。

用计算全息法测量长焦透镜的透射波前

为了高精度地检测长焦透镜的透射波前,提出了在Zygo干涉仪的平面光路中加入一个二元衍射元件提供参考波前的计算全息法(CGH)。介绍了计算全息法检测长焦透镜透射波前的理论,设计并研制了高精度计算全息板,并将其用于大口径长焦距透镜透射波前检测。理论分析和实际检测结果表明:该方法系统误差小,测量重复性精度优于0.004λ(2σRMS),与常规的菲索干涉法测量球面透镜透射波前得到的结果一致,从而验证了提出测量方法的可靠性。最后,详细分析了二元衍射元件的制造误差对透射波前检测的影响,得到测量误差(PV)小于λ/10。文中的结果表明提出的计算全息法可有效缩短光路,提高测量精度,对长焦透镜波前检测有重要的应用价值。