非中心对称像差系统的光束质量控制

为了突破元件加工工艺水平对多元件光学系统像质的限制,基于计算机辅助装调,研究了系统中元件装调姿态的优化过程.针对由两个元件组成的光学系统,利用相位屏方法,通过计算机的数值模拟,分析了非中心对称像差的光学元件之间波前像差的互补性.结果显示,经过元件装校姿态的优化调整,系统的光束质量由预期的4.916优化为1.187,显著地提高系统的最终光束质量.分析表明,这种方法可以推广到多元件系统的装调中,能进一步提高在传统计算机辅助装调后的系统光束质量.     

光轴一致性误差对空间透射式系统像差和质量的影响

应用于空间光学的高精度透射式系统对光学装调有着严格的要求,微小的光轴一致性误差都将严重影响系统质量。介绍了一种通过像差分析和仿真预估指导光轴一致性装调的方法。以应用于空间光学的大口径长焦距透射式镜头为例,计算光轴一致性误差的像差特性。首先给出了光学元件偏心与系统像散、彗差以及球差的关系。然后详细分析了各不同透镜像差贡献的差异,分别计算了各元件偏心和倾斜对系统像散和彗差的影响。利用波前均方根(RMS)和光学传递函数(MTF)作为评价函数,得出各个分离透镜偏心误差对不同像差和系统成像质量的影响权重。最后在实验上对该方法进行验证,光学系统装调后实测结果满足像质要求。该方法能够为实际光学装调提供必要的参考,为高精度透射式光学系统的光轴一致性误差调整提供依据。     

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。     

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。     

星载激光测距仪扩束系统的高精度装调

星载激光测距仪扩束系统为无焦系统,对光学装调有着苛刻的要求,装调精度是决定激光测距仪工作能力的关键因素。利用计算机辅助装调技术,确定光学系统对光学元件的敏感度和补偿调整参量。针对镜间距影响该系统性能参数的特点,提出采用高精度三坐标测量技术和双光路定心技术对扩束系统装调。最后,采用 1 064 nm干涉仪对光学系统像质进行测试,使用套孔法对束散角进行测量。测试结果表明:该星载激光测距仪扩束系统RMS优于0.225,束散角为0.41 mrad,满足设计要求。     

R-C光学系统的计算机辅助装调

R-C光学系统是现代光学工程中常用的光学系统,以某一R-C光学系统为例,对其计算机辅助装调技术进行了研究。分析了R-C系统装调理论,确定以主镜为装调基准,调整次镜五个自由度的装调方法,建立起次镜失调量与系统Zernike系数的关系,以此指导装调工作,达到明确装调方向、缩短装调周期的目的。整机光学系统的波像差RMS值优于1/10波长,达到了成像质量的要求。对相机进行实验室和地面外场成像,获得的图像图像清晰,层次丰富,验证了装调工作的正确性。     

基于空间机构学的Coude光路装调方法

库德光路光学元件多且空气间隔长，导致随着望远镜口径的增大装调难度急剧增加，因此将计算机辅助装调技术引入到Coude光路装调对准中。首先利用了机器人运动学方程的D-H表示法对库德全反射光路进行建模，然后根据光路误差来源讨论了蒙特卡洛模拟在Coude光路装调对准中的应用，通过分析各个镜面的影响权重，确定了系统装调顺序；最后，将蒙特卡洛法作为优化算法，得出了Coude光路装调后的理想结果。通过模拟仿真，证明了该方法可以将Coude光路靶面目标圆半径由5 mm下降到装调后的0.3 mm。结果表明:该方法简单、快速，而且精度高，对于全反射光路的装调是可行有效的。     

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.     

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。     

离轴三反系统计算机辅助装调

为实现对离轴三反系统快速、有效的装调,提出了一种离轴三反系统计算机辅助装调（CAA）方法。该方法在理论分析失调后离轴三反系统像差特性的基础上,结合CAA技术及光学装调的实际情况,选择出最少且最合理的调整量;根据检测数据及CAA数学模型直接计算出调整量的大小及方向。采用该方法对一离轴三反系统进行实际装调,将调整量从11个减少到7个,利用波前传感器被动式检测方法对离轴三反系统0及1视场像质进行检测,通过一次计算调整快速使该系统全视场波像差从RMS0.32减少至RMS0.067（=632.8 nm）,结果表明该装调方法简单、有效。     

Simulation Design of Collimation Zoom Optical System Based on Laser Ranging

Laser ranging is a crucial issue for collimation zoom optical systems, in order to make sure the beam alignment adapt to the aperture, the spatial divergence angle of the laser beam should be improved. In this paper, a collimation zoom optical system was designed based on the principle of non-focal magnification collimation and direct beam expansion. The optimized operation function DMVA is input into the Zemax simulation system to control the image height, and the curvature, thickness and air space of each lens of the system are optimized to reach the index requirements. The results of the optical track simulation shows that the energy distribution is uniform and non-dispersive. The collimation zoom system, four-group telescope is used instead of the group telescope structure, which have simple structure, the design of cam curve ensure the boresight of optical axes meets the design index, that reduce the ranging error efficiently. The accuracy error of the instrument is less then 0.5 m when field ranging is 10 km.     

考虑像差影响的透射式光学系统失调校正方法

随着高分辨力光学系统应用领域的不断拓展,光学元件的高精度装配要求和高精度的设计要求一样,已成为光学系统分辨力的决定性因素。现有的高斯光学校正方法仅考虑物像位置关系的调整,已不能满足光学系统的调整要求,光学仪器的调整理论需要同步发展。考虑像差对光学系统失调的影响,提出了一种基于像差理论的(透射式)光学系统失调校正方法:分析了单透镜轴向位移引起的像差变化规律,给出了像差影响系数的定义;在此基础上,通过反演计算像面位置误差和放大率误差所需的透镜调整量,数学推导出了基于像差约束条件的光学系统失调校正公式。以三透镜准直系统为例进行了仿真实验验证,证明了将像差约束引导到校正方法中,能够同时满足高斯光学特性的要求和像差增量最小的要求。     

地平式大口径地基望远镜主光学系统装调技术

望远镜的装调过程对整个望远镜系统的精度具有至关重要的作用。本文扼要地叙述了地平式大口径地基望远镜系统的装调过程,描述了在整个视场要获得较好像质的工程方法,找出装调的一般规律,其方法主要适用于卡式和R-C式望远镜。装调过程主要包含针对系统的粗调和针对光学系统像差的精调。     

高功率激光装置靶场光学系统的误差分析

基于高功率激光装置主激光束精确打靶的需要,应用误差分析方法为装置的工程实施和单元技术的改进提供理论指导.针对装置在每发打靶前多应用自动准直技术来消除存在的误差,而传统的误差分析方法即随机误差和传统误差又未能进行全面系统的分析,提出了新的激光瞄准误差分析方法:静态误差和动态误差的划分.通过对靶场光学系统全面的误差分析,获得激光瞄准精度的普适性公式,并验证了该误差分析方法的正确性和可行性.     

高精度透射式空间光学系统装调误差分析与动态控制

高分辨率对地观测对航天遥感器的成像质量提出了严格的要求,装框应力和偏心误差是影响大口径高精度透射式光学系统装调质量的重要因素。首先,在理论上分析了透镜装框应力的影响,实验测量了不同装调应力下的透镜面形,分析了装框应力对系统光学传递函数(MTF)的影响。然后,对光学元件的装调偏心误差进行了研究,测量了一个偏心系统的波前干涉图,分析了偏心导致的光学系统像差,仿真计算了不同透镜偏心误差对像差和MTF的影响。介绍了一种在偏心误差小量超差的情况下,利用中心偏测量仪、干涉仪的测量数据对光学系统进行实时仿真,动态控制装调质量的方法,并在实验上对预估结果进行了验证。结果表明:高精度透射式光学系统装调过程中光学偏心和应力导致的面形变化是影响光学系统质量的主要因素,偏心误差的影响大于应力的影响,不同透镜偏心误差对系统质量有着较大的差异且相互补偿。仿真预估方法能够在装调公差日益苛刻的情况下动态评定各误差间的相互影响与补偿,实时评价光学系统的质量,提高装调效率。     

转台内部光路测试系统设计

介绍了转台的组成和功能.利用一束平行光通过离轴抛物镜时汇聚在焦点处的工作原理设计了一套测试系统,用来调整转台内部光路瞄准精度.使用测试设备观察指示光光斑位移量,调整几片反射镜位置使其达到瞄准精度要求.为了减小测试系统的测量误差,对离轴抛物镜焦面的离焦量做了严格的控制,并对测试系统中可能带来的误差进行了分析.