基于多视场波前传感的次镜位置误差检测方法

大口径分块式主镜空间对地遥感系统在轨工作时,次镜相对于主镜的位置失调会对系统像质产生影响,需对其进行在轨检测与校正。当分块式主镜无中心基准镜时,无法用传统的灵敏度矩阵反演法计算出次镜失调量。为此,提出了一种基于多视场波前传感信息计算次镜位置失调量的方法,采用ZEMAX软件建立了无中心基准的36分块式主镜空间对地遥感系统。针对该系统像差特点,利用不同视场的场依赖波前像差,建立了次镜失调量检测数学模型,开展了仿真研究,结果表明当波前传感误差为1/40（=632.8 nm）时,次镜位置失调量的检测精度X、Y方向平移约为30 nm,倾斜约为15;失调量检测动态范围X、Y方向平移为0~1.5 mm,倾斜为0~0.03。并通过多组实际仿真,验证了所提方法的可行性。     

22m焦距太空望远镜光学设计

在三级像差理论上对大视场小体积的三反消像散系统进行了探讨,采用了共轴设计、偏置视场使用的成像方式,采用了拼接主镜,对系统进行了相应的误差分析,并在光路的中间像附近引入双折叠镜,通过多次反射压缩光路,有效降低系统体积.设计了一个长焦三反系统,焦距为22m,视场角为0.8°×0.1°,引入折叠镜后系统总长约厂f'/5～f'/5.5,结构简单.     

干涉系统在拼接主镜共相位检测上的应用

由拼接镜面实现的大口径望远镜主镜,需要对拼接子镜进行精确校正来实现子镜间的共面,使得望远镜取得接近其衍射极限的光学成像质量,子镜之间的垂向位移误差需要被校正到入射光波长的几分之一(＜100nm).为实现此目标,在基于大口径迈克逊干涉原理的基础上设计了一套子镜间相位误差检测系统.该检测系统的创新性在于激光光源与白光光源同时应用,以对拼接主镜子镜问位置误差进行检测,检测的不确定度为5～6 nm,检测范围为30～μm,最后对该干涉检测系统的光学系统的设计进行分析,仿真出基于该检测系统的理论干涉图形,并得出较好的测试结果.     

薄膜衍射消热差红外光学系统设计

设计了一种薄膜衍射消热差红外光学系统。此光学系统口径为200 mm,焦距为200 mm,相对孔径为1,全视场角为3°,工作波段为10.7~10.9 μm。该系统采用薄膜衍射镜作为主镜,厚度为微米量级,具有口径大、重量轻的优点,解决了现有红外光学系统重量和口径无法调和的矛盾。利用含有衍射面的折衍混合透镜进行校正主镜带来的强色散,有效解决薄膜衍射主镜成像视场小、谱段范围窄等问题。采用薄膜衍射主镜、折衍混合透镜,很好地利用了衍射面良好的消热差特性,再结合透镜材料的选择,对光学系统消热差起到了良好的作用,并且,衍射面的使用为系统设计优化过程中增加了自由度。薄膜衍射消热差红外光学系统重量轻、成像质量好、消热差性能优良,在红外遥感成像探测领域具有良好的应用前景。     

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0.4~1.65 μm、像元尺 寸为7.5 μm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。     

多谱段多通道离轴三反空间相机装调

针对离轴三反多谱段空间相机光学件自由度多、通道多且装调复杂的难题,进行了光学仿真分析和计算机辅助装调。根据光学设计结果,设计了基于光线追迹的视场光阑,给出了红外通道和可见光通道的波像差,仿真分析了次镜和三镜的灵敏度矩阵。用可见光干涉仪对全反射式红外通道进行了装调。根据干涉仪得到的Zernike像差系数,并结合计算机辅助装调仿真结果,以主镜为基准,调整次镜与三镜的空间位置关系,直至系统波前满足设计要求。装调结果表明,红外通道的中心视场RMS为0.15λ (λ=632.8 nm),边缘视场RMS为0.33λ;可见光通道的中心视场RMS为0.06λ,边缘视场RMS为0.07λ。考虑到加工和装调误差,装调结果与设计基本一致。相机在轨图像清晰,成像质量高。     

偏视场光学系统中心遮光罩设计

对偏视场光学系统的遮光罩进行优化设计。偏视场在一个方向上非对称，设计主镜内遮光罩需要进行光线追迹，难度大。采用痕迹图方法获得光线在空间的位置坐标，确定系统有效视场大小及挡光部分位置，对内遮光罩的挡光部分进行开口处理，得到一个上短下长的特殊鸭嘴型遮光罩，降低设计难度。经过优化分析，最终的主镜内遮光罩沿Z轴方向的尺寸缩减为原来的一半，在Y轴方向上尺寸减小来降低非有效视场的大小。使用TracePro软件对设计好的遮光罩进行建模、仿真，得到PST在离轴角度为30时达到10-9量级，小于系统的5.5910-7指标要求。结果表明:使用痕迹图法对偏视场光学系统的主镜内遮光罩进行设计是可行的。     

离轴三反望远镜主镜和三镜面形误差补偿机理

为保证大口径离轴三反消像散(Three-Mirror Anastigmat,TMA)光学系统在轨成像质量,探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理,以矢量像差理论为基础,用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差,并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现,位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散;提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式,以系统出瞳波像差RMS值为评价标准,构建离轴TMA系统像差补偿模型,利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时,所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ;系统三镜存在0.05λ像散与彗差时,可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ,且当三镜面形误差在(-0.03λ,0.03λ)范围内时,可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值,使系统成像质量满足要求,为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。     

大视场大相对孔径长波红外扫描光学系统设计

采用288×4线阵探测器及二次成像方式设计了一种工作于7.5～10.5μm的大视场大相对孔径长波红外扫描型光学系统,系统凝视视场角为28°×21°,采用摆镜同楔形镜扫描扩展后系统视场角为78°×57°,该系统具有大相对孔径、F数为1.67、高成像质量等特点。由于长波红外可用材料有限,设计中采用锗材料和硒化锌材料校正色差,引入非球面校正系统球差,系统设计结果显示其成像质量接近衍射蓟县,色差矫正良好,在空间频率为20 lp/mm处,调制传递函数(MTF)均在0.3以上,能量集中度大于70%。     

基于迈克耳孙干涉系统的拼接主镜共相位检测技术

为实现地基拼接式大口径望远镜主镜整体面形连续性,提出了一种新方法,对拼接子镜的相互位置误差进行高精度检测,并进行相关校正,从而使望远镜取得或接近于其衍射极限的光学成像质量。拼接子镜间需要进行校正的位置误差包括子镜间的倾斜误差和垂向平移误差,其中子镜之间的垂向平移误差需要被校正到100 nm以下,相当于入射光波长的几分之一。为实现此目标,在基于迈克耳孙干涉原理的基础上设计出一套相位误差检测系统,应用He-Ne激光与白光作为其光源系统,对拼接主镜子镜间相位误差进行高精度检测,同时解决了垂向平移误差的λ/2相位模糊性问题。系统的不确定度为8～10 nm,检测范围为45～60μm。对系统的设计进行了分析,并仿真出基于该检测系统的理论干涉图形,得出理想的检测结果。     

双贴合无光焦度校正板在主反射镜前的两镜系统的像差特性

在光学系统中特别是反射系统中经常通过加无光焦度校正板来减少或消除其他元件所产生的像差。讨论了双贴合无光焦度校正板放在主镜前的双反射球面系统，根据像差理论分析了消像差的条件，研究了系统中各种参数的变化对系统高级残余像差的影响。结果表明主镜的相对孔径越大，系统的残余像差增加；正透镜在前的校正板结构优于负透镜在前的结构；选择合适的校正板单透镜的光焦度，可使系统的高级残余像差最小。     

无光焦度校正板的在主镜前牛顿光学系统的设计

详细描述了光阑在主反射镜前的无光焦度校正板 - 牛顿光学系统的设计方法.通过移动光阑位置,改变主镜偏心率,选择校正板光焦度,进行光学系统的光线计算,求解出光学系统的最佳选择,并给出各种设计曲线和设计结果,对光学系统进行合理的评价.并以通光口径φ=300,相对孔径A=1/2,视场角θ=±5°,校正板光焦度ψ<,11>=5的牛顿光学系统为例,分析得到系统优化后的像差系数S<,1>=0.000002λ,S<,2>=0.000025λ,0°视场时的波像差为0.3174λ,±5°视场时的波像差为90.9861λ.     

成像光谱仪的离轴反射式光学系统设计

高分辨率成像光谱仪要求光学系统在宽视场和宽波段范围内具有高的空间分辨率和光谱分辨率。根据同轴三反光学系统初级像差理论计算初始结构,并分别将孔径光阑置于主镜、次镜和三镜焦点,通过光阑和视场离轴,设计了无中心遮拦的离轴反射式光学系统。其光谱范围为1.0~2.5 m,焦距f=1 600 mm,相对孔径为1/ 5,视场角为6.861.48,满足成像光谱仪宽视场、大相对孔径离轴三反消象散光学系统的设计指标。     

离轴四反射镜光学系统设计

与一般光学系统相比,航空遥感光学系统具有长焦距、大口径、宽波段等特点。因此,广泛使用反射式光学系统。常见的离轴三反系统已不能满足系统小型化、轻量化的要求。介绍了一种无中心遮拦的离轴四反射镜系统,由离轴三反系统改进而成,结构更加紧凑。带一次中间像面的离轴三反系统的中间像位于次镜和三镜之间,为了进一步折叠光路,在中间像面处加入球面反射场镜,从而成为离轴四反。分析了离轴四反的设计步骤,设计了一个焦距为1 200 mm,视场为0.8°×0.8°,相对孔径为F/6的光学系统,系统总长只有300 mm,并达到很好的光学性能,具有长焦距、小尺寸、良好的杂散光抑制能力等特点。     

用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题,编制了初始结构计算程序,采用视场离轴方式,设计了一个波段范围0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1:4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。     

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101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/55,最大波像差RMS值为/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。     

激光准直特性在主动式激光侦察告警系统设计中的应用探讨

探讨了主动式激光侦察告警系统入射高斯光束腰斑与望远镜副镜的距离对出射高斯光束准直倍率的影响.在满足入射高斯光束腰斑与望远镜副镜的距离远大于望远镜副镜的焦距的条件下,望远镜主镜的焦距与望远镜副镜的焦距的比值越大,出射高斯光束的准直效果越好.在不满足入射高斯光束的腰斑与望远镜副镜的距离远大于副镜的焦距的条件下,仿真分析了望...     

Design of a Modified Cassegrain System Used in Joint Transform Correlator

In order to detect and recognize infrared target with joint transform correlator,a modified Cassegrain optical system is designed.The main advantages of the system are large field-of-view,infrared dual-band common optical path and compact structure.In the modified Cassegrain optical system,the working wavelengths are 3.7~4.8μm and 8~12μm,the field-of-view is 4° and the aperture is 240mm.The paraboloidal primary mirror and hyperboloidal secondary mirror are all replaced by spherical surfaces.So the problems ...     

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’=1600mm,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．     

一种改进型的红外三反射镜探测成像系统

长焦距、多谱段、轻量化成像系统具有分辨率高、轻小型等优点,是目前成像系统设计的一个重要研究方向。针对制冷型红外同轴三反射结构中心遮拦大的不足,提出了一种改进型的同轴三反射镜成像系统,在系统三镜后加平面反射镜,将系统光线进行折转,利用三个反射镜的二次曲面系数校正轴外像差,给出了具体的设计思路及考虑问题,并给出了一个焦距f=400mm,F/#为4,全视场角为1.72°的设计实例。设计结果表明,系统成像质量接近衍射极限。