磁流变抛光技术在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究进展（英文）

简述了国内外磁流变抛光技术的研究历史和现状。介绍了磁流变抛光技术的抛光原理、特性及优点。着重阐述了长春光学精密机械与物理研究所近几年来在磁流变抛光技术研究方面的最新进展,解决了磁流变抛光的若干关键技术,主要包括:研制出一种新型磁流变抛光液,这种磁流变抛光液具有优良的流变性和较高的抛光效率;研究出一种基于矩阵代数运算模型的磁流变抛光驻留时间求解算法;为了增加去除函数(抛光区)面积、提高材料去除效率,研制出适合大口径非球面反射镜加工的带式磁流变抛光机。

应用SiC反射镜表面改性技术提高TMC光学系统信噪比

为了消除SiC反射镜的固有缺陷,提高反射式光学系统的信噪比,使用SiC表面改性技术对同轴三反射(TMC)光学系统的SiC反射镜进行了处理。首先,应用等离子体辅助沉积(PIAD)技术沉积了一层Si改性层,接着对改性层进行精密抛光,然后在反射镜表面镀制Ag膜和增强膜,最后获得了表面改性对TMC光学系统信噪比的影响。Wyko轮廓仪测试表明,SiC反射镜的粗糙度Ra由10.42nm降低到了0.95nm;镀制高反射膜后,主镜、次镜、三镜及折叠镜在0.5～0.8μm可见光波段的反射率>98%。计算结果表明,应用了表面改性技术后TMC反射式光学系统的信噪比提高了5%以上,说明SiC表面改性技术是一种提高TMC光学系统信噪比的有效方法。

多种应用于高功率激光技术的光学系统设计

结合当前高功率激光技术的工程实践,按发射与接收、可见与红外、折射与反射等分类方式分别介绍了应用于各种环境下的多种光学系统结构,分析了各种光学系统的优势与不足,完成了各种光学系统的光学设计,并给出了光学系统的技术指标与接收光学系统的成像质量。在实际应用中应按照不同的应用环境和技术指标合理的选取光学系统,使光学系统在高功率激光技术中更好地发挥作用,增大探测范围、提高成像质量、提升跟瞄精度。随着技术进步,近年来也产生了一些新型的光学系统,分析了新型高功率激光光学系统的性能优势,并对这些新型系统的应用前景进行了展望。

基于矢量波像差理论的两反光学系统装调研究

为了实现对两反光学系统的精密装调,提出一种基于矢量波像差理论和波像差检测技术对失调量精确求解的装调方法。使用矢量波像差理论,将已设计的两反光学系统参数、失调量和失调光学系统的波像差之间建立方程;然后通过干涉测量法得到某一个视场的干涉图,利用条纹分析软件得到表征失调系统三阶彗差和三阶像散的泽尼克项系数,将泽尼克项系数代入方程从而求解出失调量。运用此方法对4 m口径RITCHEY-CHRTIEN结构的天文望远镜进行模拟装调,最终求解的失调量与引入的失调量结果相互吻合,说明该装调方法正确。

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。

空间遥感测绘光学系统研究综述

将遥感技术应用到测绘当中是现代地质测绘技术的发展趋势,随着光学载荷分辨率的不断提高,遥感测绘已经成为社会发展和国民经济发展的重要保障。光学载荷决定了测绘空间遥感器的分辨率、测绘精度、卫星平台体积与重量,是遥感器的核心部分。本文对高成像质量透射光学系统、同轴三反光学系统、离轴三反系统等常用的空间遥感测绘光学系统的结构形式和光学性能分别进行了介绍,并对处于研发阶段的新型空间反射光学系统的结构形式和光学性能进行了展望。分析认为,根据不同的应用环境和技术指标,合理选用不同种类的遥感测绘光学系统,可以最大程度利用平台资源,满足遥感测绘需求。

轻小型金属基增材制造光学系统

为了实现用于深空低冷目标探测的长波红外折反射式光学系统的进一步轻小型、低辐射和大视场,对局部制冷光学系统、拓扑优化金属基反射镜设计、增材制造、金属基光学加工与表面改性等进行研究。首先,设计完成了紧凑型局部制冷折反射式光学系统,口径为55 mm,焦距为110 mm,视场达到4°×4°;其次,利用拓扑优化理论,设计完成了主镜组件、次镜组件和连接筒,三阶和四阶模态达到1213.7 Hz;接着,采用增材制造、单点金刚石车削、表面改性、表面镀金等手段完成前组光学元件的研制,利用定心装配工艺完成光机装调;最后,对光机装调后的系统性能进行了测试。测试结果表明:光学系统全视场范围内调制传递函数均达到衍射极限,重量仅为96.04 g。金属基增材制造方法可以作为提升光学系统性能的有效手段。

三线阵立体测绘相机光学系统设计

光学系统结构决定了CCD相机的外形尺寸和布局,为保证相机的小型化、轻量化及稳定性,本文针对光学系统设计指标的要求,分析、比较了折射式、反射式及折反射式等光学系统的结构型式,综合考虑相机的空间环境适应性和结构布局等因素,采用像方远心光路,设计了一种兼具匹兹瓦型与对称型优点的新型光学系统结构。设计的光学系统成像质量好,在Nyquist频率为77lp/mm时,正视相机全视场的平均传递函数为0.613,前、后视相机全视场的平均传递函数为0.578;正视相机畸变为2×10-5,前、后视相机畸变为2.4×10-5。装调完成后对光学系统成像质量进行了检测,各相机光学系统传递函数的测试值均在0.451以上,满足实验室静态传递函数>0.2,相对畸变<3×10-4的指标要求。

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。

大口径光学元件的机械手抛光

为满足大口径光学元件多模式组合加工技术(MCM)的需要,研制了JP-01型数控抛光机械手。该机械手采用柱坐标结构,ρ-θ极坐标运动方式,ρ、θ两轴联动完成MCM加工所需各种运动。运用齐次坐标变换理论和Preston方程,在分析机械手抛光过程中工件表面上任意一点的相对速度、压强及抛光时间的基础上,建立了机械手抛光的材料去除数学模型,同时求解了JP-01型机械手的位姿转换矩阵。运用所建立的数学模型对MCM加工中修正环带误差和局部误差时单个抛光盘常用运动模式的材料去除特性进行了计算机模拟。应用JP-01型机械手对一口径为240 mm,F数为1.5的球面反射镜进行了确定性抛光实验,最终面形精度达到14.6 nm(RMS)。实验表明,所测得数据与理论分析数据吻合,建立的数学模型能真实反映材料去除分布特性,可以指导抛光实现确定性加工,JP-01型机械手能够提供MCM加工所需运动形式。

自由曲面的CGH光学检测方法与实验

自由曲面能有效地简化光学系统结构并提高其性能,在照明光学系统和成像光学系统中均具有良好的应用前景。为了实现自由曲面的高精度光学检测,分析了自由曲面的计算机全息图(CGH)检测方法并讨论了它的限制因素;探讨了使用基准CGH区域解决自由曲面检测时的对准问题;设计并制作了直径为180 mm的CGH对某三次方项波前编码自由曲面(口径150 mm,PV为6λ,λ@632.8 nm)进行了光学检测,该方法的检测结果(0.068λrms)与非零位检测方法的检测结果(0.067λrms)一致,实验验证了自由曲面的CGH检测方法。该方法具有易对准、精度高和效率高的优点。

紫外星敏感器光学系统设计及其鬼像分析

针对空间紫外波段航天器自主导航姿态敏感器的特殊需求,提出基于正组为FK5和熔石英、负组为QF1的新型紫外玻璃组合方法,设计了波段330~365 nm、焦距80 mm、F数1.6、视场角8°×8°的紫外星敏感器。基于近轴鬼像能量计算的方法对鬼像抑制指标进行计算。利用Code V对系统轴上一阶鬼像进行初步的分析与判断,再利用非序列光线追迹对系统轴外多阶鬼像进行仿真计算,得到完备的轴外鬼像能量分布。结果表明,该光学系统结构紧凑,像质良好,各视场成像弥散斑均方根半径10μm内能量集中度大于80%,相对畸变优于0.05%,在相差7等星的动态范围下,像面处亮星最大鬼像光斑照度仅为暗星照度的1/21,满足紫外星敏感器的探测需求。

波前编码技术扩展焦深的系统实验

为了扩大光学系统的焦深,建立了采用波前编码技术的光学/数字一体化系统,通过在普通光学系统孔径光阑处加入一个位相掩模板和后期数字处理的优化结合,实现了光学系统焦深的大幅扩展。介绍了波前编码技术的提出、发展及理论基础,设计了一个三片式的三次位相板系统,利用光学设计软件CODEV对传统系统和波前编码系统的成像特性进行了对比分析,给出了±40倍离焦范围内的点扩散函数三维轮廓图和调制传递函数曲线。最后,对研制的系统进行成像实验,并对波前编码系统解码前后的成像效果与传统系统进行了比较。实验结果表明,与传统系统相比,所设计的波前编码系统可以在保持光通量和像面分辨率的情况下将焦深扩展40倍。

多模式组合抛光技术在光学加工中的应用

介绍了将经典抛光方法与数控加工技术有机结合的多模式组合抛光技术。描述了多模式组合抛光的关键技术之一,材料去除率仿真模型的建立方法。通过设置抛光盘因子和元件因子,多模式组合抛光的材料去除模型不仅包含抛光模式、速度等加工参数,还将抛光模形状、边角效应、元件面形误差等因素对材料去除的影响一并考虑入内,可以根据抛光阶段的不同,选择不同的仿真精度。实验发现,多模式组合抛光可以显著提高加工效率,并且具有较好的对中频误差的抑制和修正能力。多模式组合抛光目前的应用水平大致为球面、平面元件的面形误差达到20 nm（rms）,非球面元件的面形误差达到30~40 nm（rms）左右。结果表明,多模式组合抛光在大口径元件的光学加工方面具有较强的适用性和很大的发展空间。

大扫描视场红外椭球形整流罩光学系统设计方法

应用椭球形整流罩的飞行器具有良好的空气动力学特性,但由于头罩的非旋转对称结构特性,后续红外搜索/跟踪成像系统难以同时实现大扫描视场与良好成像质量.为解决这一难题,提出一种基于拱形校正元件和动态校正器的椭球形整流罩光学系统设计方法,使用该方法设计的中波红外头罩光学系统具有±54°的超大扫描视场,且成像质量在整个扫描和瞬时视场内接近衍射极限.

高速切换紧凑型双视场无热化红外光学系统设计

采用透射二次成像光学系统结构形式,实现了远射比为1,F数为1.67,变倍比为4.6的红外双视场光学系统设计。采用光学元件切换变倍方式,配合电磁阀切换机构实现了60 ms的变倍速率;采用光学被动补偿方式,通过适当的光学和结构材料匹配,实现了-40^+50℃无热化设计。设计结果表明:光学系统在不同温度下各视场调制传递函数在特征频率为20 lp/mm时接近衍射极限,空间排布紧凑,视场切换速度快,该双视场红外光学系统满足应用需求。

几种失调反射光学系统的波像差特性

为了描述失调状态下反射光学系统在整个像平面中的波像差分布特性,从而对反射光学系统进行有效的装调,对偏心和倾斜影响下的几种反射光学系统的三阶彗差和三阶像散进行了研究。首先,对失调光学系统三阶波像差的矢量形式进行了推导。然后,对失调状态下经典Cassegrain系统、Ritchey-Chrétien系统和三反射镜消像散系统三阶彗差和三阶像散的分布情况进行了分析,并且对两反射和三反射系统的装调进行了简要的讨论。使用Zernike多项式对视场中各个位置的波像差进行拟合,分离出三阶彗差和三阶像散并进行了全视场显示。理论分析与实际拟合结果一致,说明结论是正确的。

杂光对三线阵相机光学系统成像的影响

针对高成像质量三线阵测绘相机杂光导致相机成像质量下降的问题,文章根据光学系统的设计结果,对相机的杂光系数进行分析与计算,提出合理的杂光抑制措施;利用ZEMAX软件和LightTools软件,分析了杂光对三线阵立体测绘相机成像的影响,通过模拟计算得到杂光系数小于5%的理论结果;实验检测了相机实际杂光系数,得到最大杂光系数小于6%的实测结果,模拟了杂光影响下的光学系统图像,证明了杂光抑制措施的有效性和杂光影响下成像分析的合理性。

离轴光学系统的畸变分析及焦距测量

为了实现离轴光学系统的高精度畸变分析、测量及在轨图像的快速、高精度畸变校正,利用高阶畸变分析方法对离轴光学系统的相对畸变进行了拟合分析。首先,对离轴光学系统的理论畸变进行了分析,提出了等效焦距的概念,并利用高阶畸变分析方法对系统的相对畸变进行了拟合分析;接着,针对装调完成的某离轴光学系统完成了畸变测试及焦距测量;最后,利用实测结果完成了该离轴光学系统的物像对应关系的高精度解算。与ZEMAX光线追迹的结果相比,利用高阶畸变系数计算得到的等效焦距最大偏差为0.366 mm;对于某装调完成的离轴光学系统,实测等效同轴系统焦距的偏差仅为6.378 mm,相对偏差为0.073%。验证了该方法对于离轴光学系统畸变分析、测量及焦距测量具有正确性及精度保证,将为在轨图像的快速、高精度畸变校正提供可靠输入。

长焦距大口径连续变焦距光学系统

为了实现对远距离目标的实时跟踪与测量,设计了口径为650 mm,焦距为5 000～2 000 mm的连续变焦距光学系统.提出了牛顿式折反射光学系统与倒置的连续变焦距光学系统组合的设计方法,实现了光瞳的合理匹配与对接.确定了合适的入瞳位置,消除了变焦过程中像面容易产生的鬼像.通过合理匹配主系统和变焦距系统的光焦度,使得二级光谱最小化.运用CODEV软件对各焦距位置的像差进行优化与平衡,使变焦距光学系统在各焦距位置的像差均得到校正与平衡,像面保持严格的一致性,从而各焦距位置成像质量良好.实验显示该系统全视场平均传递函数均在0.524以上（Nyquist频率：35 lp/mm）,满足使用要求.