X射线光学系统的光线追迹

阐述了硬X射线光学系统的光线追迹过程,处理的光学系统可包含任意数目的镜子、晶体及光阑,镜子或晶体的面形可以各种各样,它们的排列方式可为共主面或相互正交.根据劳厄衍射方程的矢量形式计算光线经对称或非对称晶体衍射后的方向.我们应用C语言编写了光线追迹程序,它不仅可以得到光路中任意位置像面上光线的点列图分布,而用可以计算晶体的摇摆曲线.最后作为例子,我们用此程序计算了一条同步辐射X射线光束线系统的成像.     

用两维扩展光源像差理论优化XUV单色仪设计

为了给反射镜和光栅组成的光学系统提供一种有效的优化方法,应用吕等提出的两维扩展光源平面对称光学系统的像差理论,Namioka等定义的XUV(极紫外)光栅仪器的评价函数和改进的遗传算法发展了优化设计程序,对一XUV单色仪光学系统进行优化。通过光线追迹程序Shadow进行数值成像计算来验证优化结果,并和相关参考文献中的结果进行比较。比较结果表明应用的评价函数适用于两维扩展光源的XUV单色仪光学系统优化设计。     

光学系统最优公差CDA

光学系统最优公差设计就是通过优化找到合理地制定光学零件结构参数公差的方法,以降低成本。本文为此提出优化的目标函数、约束函数和优化的方法,采用FORTRA N77 语言编制通用的程序。     

1200mm望远镜开环液晶自适应光学系统设计

为验证液晶自适应光学成像技术校正大气湍流所引起的波前像差的有效性,提高光学系统的能量利用率,应用Ze-max软件设计出了与1200mm望远镜匹配的开环液晶自适应光学系统。针对开环自适应光学系统探测光路和校正光路自身的特殊要求,制定了具体的公差原则,并应用Zemax软件进行了公差分析。分析表明,设计的自适应光学系统具备较宽松的公差条件,容易加工和装调。评价了该光学系统的成像性能,结果表明,设计的自适应光学系统的MTF曲线接近衍射极限,光学传递函数的模在50lp/mm时可达到0.4,而成像CCD的极限分辨率为31lp/mm,充分地利用了CCD相机的分辨资源。该自适应光学系统与1200mm望远镜对接匹配后的组合焦距为19.9m,F数为16,PV值为0.0314λ。     

基于波像差理论的光学系统评价函数

将Lu的平面对称光学系统的波像差理论与Koike定义的极紫外(XUV)光栅仪器的评价函数相结合,从而可以得到该评价函数关于光学系统参量的解析表达式。应用该评价函数优化一XUV单色仪光学系统,并运用光线追迹程序Shadow对该光学系统的优化结果进行数值成像计算和比较,证明现发展的评价函数是一种优化XUV光栅仪器十分有用的手段。     

运用光线追迹算法的非均匀温度梯度成像畸变校正

针对视觉测量原理应用于高温度梯度环境所产生的成像畸变问题,本文研究了将空间点发出的光抽象为光线,通过修正光线的传播路径,来研究光学系统成像的光线追迹算法,并运用该算法对图像畸变进行校正,与角点检测方法得到的实际误差进行了对比验证。实验结果显示,运用光线追迹算法对热源干扰下造成畸变图像进行校正的方法是可行的,实现了对图像畸变的误差补偿,并能得到较准确的校正后图像。     

显微物镜杂光系数的测量

杂光,是光学系统中除成像光线外,扩散于像面上的其它非成像光线。杂光的存在,影响光学系统的成像质量,使像的对比度和调制传递函数下降,使得整个画面的层次减少,清晰度变坏。杂光严重时,所摄得的景像给人一种蒙上了一层雾的感觉,甚至产生杂光斑点。     

坐标缩放激光角谱传输及在激光光学系统中的应用

提出了坐标可缩放的激光传输角谱算法,用于评估激光光学系统性能并分析其系统公差。考虑Collins公式可用于计算激光光束在光学系统中的衍射传输过程,对该积分公式进行了坐标代换,将衍射积分公式转换为角谱传输过程,并引入坐标缩放因子,实现了目标面尺寸的自由选择,提高了激光传输计算的准确性。设计了一套激光传输系统,定义占有86.5%桶中功率的光斑尺寸为光斑半径,用提出的算法对激光光束传输公差进行了分析。分析表明:作用距离为90m时,焦面激光光斑的半径为0.8~1.4mm,期望值为0.92mm,实验测量值为1.01mm;作用距离为49m时,焦面激光光斑的半径为0.42~0.73mm,期望值为0.48mm,实验测量值为0.46mm,实验结果与公差分析相符。另外,通过公差分析验证了激光光束在光学系统中的焦移现象。由角谱法对激光传输系统的理论分析与实验结果相符,证明了该方法用于激光聚焦光学系统设计的可行性。     

光学仪器CAD系统成果介绍

<正> 1.光学数据库光学数据库包括透镜数据库共11大类65小类的几百个典型光学系统。玻璃材料库以及半径数值系列标准库。 2.光学系统象差分析包括经典几何象差分析;自相关法光学传递函数分析;中心点亮度分析;点列图分析;应用部分相干光理论的直边函数分析;公差的统计分析以及采用非线性模型的公差最优设计。     

光学系统装配误差分析及装调路径优选

分析了透射式光学系统中透镜以球面接触形式和平面接触形式装配时,多种公差对透镜装配误差(倾斜误差和偏心误差)的综合影响,从光学公差和机械公差设计的角度综合评价光学系统公差设计的合理性。借助于光学元件的分划工艺和绕中心轴线旋转装入的角度,提出了透镜与镜筒装配位姿量化的确定方法及装调路径描述方法。利用光学设计仿真软件ZEMAX进行了基于MTF指标的公差灵敏度分析,从而进一步提出了基于误差权重因子的装调路径优选方法,并用三片式柯克物镜系统的装调验证了研究方法的合理性。     

基于共焦法的透镜厚度测量系统设计

研究通过分析共焦法检测透镜厚度的原理,并结合实际,给出了共焦光学系统的设计指标及要求,据此设计了一套共焦光学系统,结合光纤、耦合器、光谱仪等设备构成了基于共焦原理的透镜厚度测量系统。文中分析了本共焦光学系统的公差,分析结果表明,所给公差相对较宽松,整个光学系统设计合理,且在此公差下,本光学系统仍能清晰成像。本系统的测量范围至少为15 mm,可以有较广泛的应用。对于普通的K9玻璃,本检测系统的测量范围可达23.4 mm,测量精度为1μm。     

光学系统中杂光分析

光学系统的杂散光极易在系统内形成多个鬼像 ,这不仅严重影响光束质量和传输特性 ,并可能对系统光学元件造成永久性损伤。提出了一种基于光线追迹基础的分析光学系统杂光影响的有效方法 ,建立适合各类光学系统杂散光及鬼像分析的数理模型。编制了专门的杂散光分析软件 ,通过计算机光路模拟 ,对光学系统中的鬼光束进行全面、系统分析 ,可得出系统鬼像及关键元件处的能量密度 ,从而在光学系统设计阶段排除鬼像的潜在危害     

用AutoLISP语言实现零件尺寸公差的自动标注

利用AutoCAD提供的AutoLISP语言编写了一个尺寸公差自动标注程序 ,应用该程序可自动检索以数据文件形式存贮的常用尺寸公差数值 ,实现尺寸公差的自动标注     

硬性内窥镜光学系统的杂散光分析与抑制

基于光学系统结构研究了硬性内窥镜光学系统内部杂散光的成因及抑制方法,以提高其成像效果。通过Lighttools软件进行光线追迹,分析了硬性内窥镜光机结构的杂散光;通过杂光路径分析,提出光线在中继系统和物镜组中发生全反射是硬性内窥镜存在杂散光的原因,由此研究了相应的杂散光抑制方法:即调整物镜组结构控制系统中光线传播的路径,并在光学系统优化过程中加入相应的控制条件。最后,采用提出的方法设计了视场角为70°,透镜直径为2.7mm的高成像性能消杂散光硬性关节镜。验证实验显示,研制的硬性内窥镜光学系统在100lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均在0.4以上,逼近衍射极限。光线追迹结果表明,在物镜组中消除杂散光可避免光线在棒镜内壁全反射,完全消除杂散光并保证良好的像质。     

适用于精密复杂零件表面形状的干涉测量光学系统的光线追迹方法

在用激光干涉法测量精密复杂机械零件的表面形状误差时,需要用光学仿真的方法对干涉测量光学系统进行设计和误差分析.以研究中所用的光学系统为基本模型,提出均质媒质中的两个带有安装误差的任意界面曲面之间的光线追迹的一般方法,从任意一个3维界面曲面到平面、球面和圆柱面等若干个典型界面曲面之间的光线追迹方法,和由若干段均质媒质构成的光学系统中的光线追迹方法,并对测量对象面的成像形状的求解方法进行探讨,再以平面测量试验片和齿轮齿面为对象进行仿真计算和试验验证,仿真计算的结果和试验结果非常吻合,验证所提出的方法的正确性.     

变倍光学系统的公差分析

为了保证可见光变倍光学系统加工和装配后的成像质量,提出一种基于传递函数灵敏度的公差设计方法,该方法通过标准公差等级模拟实际情况,采用蒙特卡罗模拟和曲线拟合确定公差参数的灵敏度,并利用满足成像要求的基本公差等级,合理分配光机公差。结果表明,在满足像质的要求下,通过这个方法可以放宽对公差的要求,降低加工和装调难度。     

基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪

为了满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求,提出并设计了一种基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪。基于几何像差理论,推导出了像散校正条件,利用Matlab软件编制了初始结构参数快速计算程序。作为实例,设计了一个相对孔径为1/2.5,波段为350~1 000 nm的平面光栅光谱仪光学系统。利用自己编制的Matlab程序计算了初始结构参数,然后利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱仪的光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。结果表明,在整个工作波段（350~1 000 nm）内,点列图半径均方根值小于8.2 μm,实现了大相对孔径宽波段像散同时校正,在宽波段内同时获得了良好的成像质量,满足了设计指标要求。所提出的基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪在高光谱遥感领域很有应用前景。     

平面对称光学系统的像差(I-像差理论的扩展)

扩展平面对称光栅系统的像差理论,使之适用于光线斜入射下平面对称折射光学系统的像差计算。结果使反射、衍射、折射光学系统的像差系数用同一组公式表达;应用基于费马原理的光线追迹解析法可以验证结果表达式的正确性。阐述了如何应用我们的波像差系数,导出轴对称对称光学系统的赛德尔初级像差。另外,文章还研究了当主光线位置改变所产生的像差修正。     

基于公差图的飞机部件交点装配数字化协调方法

为适应数字化协调和坐标点数字化测量设备在飞机装配中的广泛应用,以飞机部件交点装配为研究对象,提出基于公差图的飞机部件交点装配数字化协调方法。首先,将装配特征几何要素映射为欧氏空间中的点,建立特征公差域与公差图之间的映射关系,将特征几何要素变动映射为欧氏空间中的公差图。再对公差图进行降维,以获得特征几何要素变动的2维和3维空间域。然后,针对部件交点装配的协调要求,构建各交点轴线的公差图,用同一基本单形统一表示各交点轴线的公差图。接着,利用闵可夫斯基和方法对统一后的公差图进行累积,得到协调要素的累积公差图。并依据累积公差图和交点轴线公差图的几何关系进行公差累积与分配。最后,以叉耳式机身—机翼交点对接装配为例进行公差分析。应用实例表明,该方法直接以点空间坐标作为误差累积和公差分配的对象,可满足面向点测量模式的数字化装配容差控制需要,为部件交点装配数字化协调提供了一种新途径。     

Wolter-Ⅰ型X射线天文望远镜的光学设计

针对国内硬X射线天文观测的需求,研究了1～30keV能段圆锥嵌套Wolter-Ⅰ型X射线天文望远镜的光学设计,推导了嵌套层之间的结构递推关系,给出了合理的望远镜初始结构。在最内层和最外层之间,设计了6组W/B4C宽带非周期多层膜,模拟得到系统的有效集光面积和分辨力。理论有效集光面积达到127cm2(在2keV处)和71cm2(在30keV处),系统角分辨力约10″。系统实际成像质量还受到公差的影响,引起像质下降的公差主要有辐条位置公差、镜面位置公差和镜面面形公差。目前演示实验方便改善的公差是辐条位置公差,给出了此公差的计算方法并对系统进行光线追迹,得到了成像点列图和分辨力改变情况。辐条位置公差从±15μm缩小到±3μm后,系统分辨力由1′提高到13″。