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。     

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。     

基于量子遗传算法的自由曲面离轴反射光学系统设计

针对自由曲面离轴反射光学系统的初始结构较少、优化过程复杂的问题,提出了一种基于量子遗传算法的离轴反射光学系统设计方法,即采用量子遗传算法结合像差理论得到高像质的初始光学系统结构,再对其离轴化处理并引入自由曲面,进而设计得到自由曲面离轴反射光学系统。该方法可以方便、快捷地为自由曲面离轴反射光学系统提供像质良好、特定布局的初始结构。以离轴三反系统为例,采用该方法设计了一套工作在可见光波段、视场大小为10°×4°、F数为2的主三镜一体化的自由曲面离轴三反系统。仿真结果表明,该离轴三反系统视场较大、结构紧凑、成像质量良好,其最大RMS波像差为0.0485 λ (λ=0.6328 μm),全视场的调制传递函数（MTF）在50 lp/mm处大于0.9,且一体化集成结构有利于简化系统的对准及装调。     

面型误差和失调量对同轴三反系统像质的影响

应用于对地观测的高分辨同轴三反式系统对光学装调有着严格的要求,光学元件的失调量和由装配应力导致的面型误差都会严重影响系统成像质量。该方法通过镜面受力分析和光学系统仿真指导系统装调,以某商业遥感卫星搭载的同轴三反式镜头装调过程为例,分析失调量和面型误差的像差特性。通过分析光学元件失调量和面型误差与系统像散、彗差以及球差的关系,并利用系统波像差的均方根（RMS）作为系统像质的评价标准,得出各个光学元件失调量和面型误差对系统成像质量的影响权重。根据计算结果进行针对性调校,使系统各视场的平均RMS值收敛为0.06以下。经过多台同类镜头装调结果验证,证明该方法切实有效,可缩短装调周期,提升装调精度。     

长焦距宽视场离轴三反光管设计

针对大口径、长焦距、宽视场平行光管高像质的应用需求, 提出一种采用离轴三反射镜结构的平行光管。从共轴三反理论出发, 推导出系统的初始结构;并且在用zemax软件优化时, 提出一种基于ZPL语言优化离轴量的方法。设计出一个焦距10 m, 视场21的离轴三反平行光管。设计结果表明, 系统像质接近衍射极限, 全视场波像差RMS值优于/200(=632.8 nm), 系统总长度小于f'/3, 为大口径、长焦距、宽视场光管设计提供了一种设计方法。     

基于自准直原理的小视场镜头波像差测试系统

为实现对小视场光学镜头波像差的快速、高精度检测,将自准直原理与斐索型激光球面干涉仪检测波像差原理结合起来,提出一种基于自准直原理的光学镜头波像差检测系统。介绍了斐索型激光球面干涉仪检测波像差的工作原理,并详细论述了基于自准直原理的波像差检测系统的装调及检测方法。结合自准直光路的特点,实现对干涉仪光轴、被测光学镜头光轴以及高精度平面反射镜光轴的精确定轴,从而实现了系统光路的快速装调。实验证明,此系统可有效解决小视场光学镜头在波像差检测过程中的光轴偏斜问题,实现小视场光学镜头波像差快速、准确的检测。     

方形孔径自由曲面反射式系统装调技术研究

针对方形孔径自由曲面反射系统,构造方形域上正交多项式用于波前解析,得到方形孔径系统波像差系数。在计算机辅助装调阶段,为确保装调结果准确,用方形域上正交多项式和光学设计软件来建立系统的灵敏度矩阵,结合自准直干涉法得到的多个视场得波像差来求解系统失调量;在多次迭代后得到系统平均RMS为0.164 1(632.8 nm)实测系统平均传递函数达到0.453 4的理想结果;证明该装调方法正确性,并适用于其他形状孔径自由曲面离轴反射系统式系统装调。     

大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计

设计了一款大线视场离轴三反光学系统,系统焦距1 200 mm,相对孔径1:12,视场角301。设计中,第三反射镜应用了x-y多项式光学自由曲面提升系统设计自由度,为便于装调,保证关于子午面像质对称,对x-y多项式自由曲面表达式进行了修正。设计结果得出,该系统光学传递函数均优于0.45@50 lp/mm,工作视场内,系统最大波像差为0.056,平均波像差RMS值为0.036,最大畸变值为0.8%,像质相对于子午面完全对称。系统进行了合理的公差分配,蒙特卡罗分析结果显示,该光学系统最终可实现平均波像差优于/14的成像质量。该系统的设计对空间遥感器光学系统的设计具有一定的参考价值,适合作为大幅宽推扫成像系统。     

基于DWC波前检测的计算机辅助装调技术

计算机辅助装调(CAA)技术是提升高精度、复杂离轴光学系统成像质量的有效手段.介绍了计算机辅助装调技术发展背景及现状,总结了用于计算机辅助装调技术的光学检测手段及优化方法.介绍了一种基于高分辨率波前传感器(DWC)的计算机辅助装调技术,建立了数学模型.这个模型包含光学系统出瞳波面像差获取、失调光学系统的失调量计算及系统像差表示三个方面的内容.最后,对模型进行了数值仿真试验,通过对比系统装调前后的结果,验证了该方法的理论可行性.     

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。     

光学系统计算机辅助装调分析与应用

光学系统的计算机辅助装调（CAA）技术自20世纪80年代提出,从90年代开始在各个国家得到发展并逐渐运用到各个领域。在此简要介绍了计算机辅助装调技术及其装调过程,并推导了CAA的数学模型。通过广泛调研国内外计算机辅助装调的发展与应用,比较了各国成功应用CAA技术完成的装调。分析了目前国内CAA技术的发展状况,对传统装调方法和CAA方法的适用情况做了比较,为我国计算机辅助装调提供借鉴。     

基于星点图椭圆度分布的光学系统装配误差计算方法

计算机辅助装调技术的出现大大降低了光学系统装调的难度,但是目前提出的大部分装配误差计算方法都基于波像差系数,在应用过程中还需要额外的波前传感器。基于星点图在不同视场中的椭圆度分布,提出了一种不依赖于波前传感器的装配误差计算方法,该方法只需要CCD或CMOS等图像传感器即可实现光学系统的装配误差计算。基于矢量像差理论推导了该方法的理论基础,采用椭圆度参数量化了装配误差对星点图的影响规律,揭示了椭圆度分布与装配误差之间的非线性函数关系,在此基础上,以多视场下的星点图椭圆度分布为优化目标,将光学系统的装配误差求解问题转化成多目标优化问题,可通过智能优化算法进行求解。以Hilbert 两反式光学系统为例,基于三个视场的椭圆度分布计算次镜的四个侧向装配误差,仿真结果表明该方法的计算精度可达微米级,满足实际装调需求,验证了该方法的正确性,对促进计算机辅助装调技术的工程化应用具有重要意义。     

失调三反消像散光学系统像差特性

文中以矢量波像差理论为基础,对TMA 光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调TMA 系统的初级球差在全视场内为常量,彗差在全视场内的方向与量值均为常量,由失调引入的像散表现为失对称性、像散值与视场成线性,其零点位于中心视场。在校正失调产生彗差时,TMA 系统像散零点位于轴上视场,像差接近于零,而边缘视场的像散依然较大,因此在TMA 系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差。在同样情况下若轴上视场测量到像散,则是由于主镜的面形误差导致而非系统失调引起。利用CODE V对失调TMA系统的失调像差分布进行仿真,结果表明,利用矢量波像差理论可以对失调TMA系统的像差进行定性分析,以提高TMA 系统的装调效率。     

空间调制型全偏振成像系统的角度误差优化

空间调制型全偏振成像系统利用 Savart偏光镜能够将被探测目标的4个 Stokes参数 S0~S3调制在同一幅干涉图像中,从而通过单次采集便可获得完整的偏振信息。在该系统中,半波片和检偏器的角度误差对 Stokes参数的测量精度有着不可忽略的影响。文中首先给出了包含上述两种角度误差的干涉强度调制方程,根据实际系统参数,在角度误差模型的基础上分析了当入射光为自然光、0/90线偏振光、45/135线偏振光和左/右旋圆偏振光时,角度误差对空间调制型全偏振成像系统的 Stokes参数测量精度的影响。利用这四种基态偏振光的偏振测量误差,给出了任意偏振态和偏振度的入射光偏振测量误差的表征方法,最后,文中以系统测量矩阵条件数为优化目标函数,经仿真计算得出当 Savart板厚度为 23 mm时系统测量矩阵条件取得最小值为 2.06,半波片和检偏器耦合角度误差对系统偏振测量精度的影响程度最小。     

模糊自适应滤波在捷联惯导初始对准中的应用

传统卡尔曼滤波应用于捷联惯导初始对准中由于模型参数、噪声的统计特性不确定,影响估计效果.而模糊自适应卡尔曼滤波能按照模糊推理原理逐步校正系统的观测噪声协方差阵,具体实现是通过观察残差的理论值是否接近于其实际值,系统调整观测噪声协方差的加权以达到修正观测噪声协方差阵的目的,进而提高系统的对准效率.在噪声统计特性未知时,比较了常规卡尔曼滤波与模糊自适应卡尔曼滤波在初始对准中的应用效果.仿真结果表明,这种算法能有效提高系统的滤波效果,是一种较理想的初始对准滤波方法.     

面向高性能的红外折射式镜头装调技术

针对红外光学材料折射率不均匀导致系统波前产生异常像差,从而引起镜头像质严重下降的问题,提出了一种光学件位置迭代调整和面形修配相结合的系统波前补偿方法,实现面向高性能的红外折射式镜头装调。在光学件精密定心的基础上,设计了在线装调检测装置,依据镜头实测波前并结合计算机辅助装调技术,通过迭代调整光学件位置矫正系统波前初阶像差。对系统残留的中高阶像差,根据各视场测得的系统波前综合分析计算,采用修配光瞳处光学件面形,引入反残留波像差的方式补偿。实验上,通过对某红外折射式镜头装调,将镜头三个视场系统波前RMS (λ=3.39μm)分别由精密定心后的0.162λ、0.118λ、0.166λ降低至0.064λ、0.040λ、0.067λ,平均MTF (@25 lp/mm)由0.31提升至0.67。结果表明,这种装调技术对红外折射式镜头系统波前补偿效果明显,可大幅提升镜头成像性能,具有重要的工程应用价值。     

基于光学对准的光刻机投影物镜密集线焦深原位检测技术

提出了一种检测光刻机投影物镜密集线焦深(DOF)的新技术。该技术将具有精细结构的测量标记曝光在硅片上,硅片显影后,由光学对准系统获取曝光在硅片上的测量标记图形的对准位置信息,根据对准位置信息计算得到视场中各点的焦深。与传统的FEM焦深测试技术相比,该技术具有测量精度高、速度快、成本低、操作简单等优点,在光刻工艺参数优化及光刻设备性能评价等方面有很好的应用前景。     

保偏光纤侧视光强相关峰锐度的定轴方法

在保偏光纤偏振轴的定位和对准技术中，侧视成像法为目前的主要方法。现有的侧视成像法对光强形貌特征具有较高要求，为了提高它们的通用性，提出了基于侧视光强相关峰锐度的定轴方法。该方法首先通过侧视光强曲线间的相关运算得到相关系数曲线，进而利用相关系数曲线的峰值尖锐程度作为特征值。相比于传统侧视成像法，该方法不受光强形貌特征的限制，因此具有更强的通用性。为了提高该方法的精度，对不同观测平面的定轴精度进行了比较，从而确定了具有理想定轴精度的观测平面范围。在此基础之上，对该方法的实际精度进行了实验验证，结果表明:利用该方法可以获得优于0.9的定轴精度。