Cook结构补偿镜的球面折反型望远系统

基于Cook结构补偿镜提出了一种球面折反型望远系统。该系统将传统折反结构中的非球面球面化并用基于Cook结构的补偿镜代替传统的前置大口径补偿镜。将该镜置于次镜之后,其直径减小了很多,支撑结构也变得简单易行,整个系统容易制造。系统光学性能如下:全视场为0.5°,相对孔径可以做到F/7,遮拦比为0.42,MTF衍射极限为0.45@50pl,设计、加工和装校后总的MTF可以做到0.40@50pl,非常接近衍射极限水平。     

主动调节刚性支撑薄膜型反射镜面形调整机构的研究

空间光学的发展对光学系统的轻量化提出越来越高的要求,作为一种超轻量化的方法,介绍了主动调节刚性支撑薄膜型反射镜的概念,这种薄模型反射镜由美国率先提出,并制造出口径500mm厚2mm的模型镜,反射镜的面形通过均匀分布的致动器的微量移动来调整,致动器的最小位移是20nm.美国使用压电陶瓷做致动器,有利于实现系统的轻量化.在试验阶段,设计一套机械微动装置来代替压电陶瓷做致动器,它的微动原理是利用杠杆减速机构及球面上的不同点的矢高变化来得到所需要的微位移,这套机构具有结构简易,重量轻,易于加工制造的特点,同时具有较高的灵敏度.     

大口径轻质反射镜坯的制造

给出了制造大口径轻质反射镜坯的机械法减重技术及所制造的反射镜坯.在镜坯制造过程中通过计算机辅助设计搜索轻量化加工区域的形状、大小、深度,并对其进行分类标识;编辑TPH(toolpath)轨迹数据文件,编写CNC(comput ernumbercontrol)数控系统的零件加工程序,由数控系统在图形方式下控制实际加工.同时采用化学方法消除加工过程中产生的应力与微小裂纹.加工出的大口径轻质反射镜坯达到设计要求,轻量化率达到65%以上,加工后的非球面面形精度达到0.029λ(rms,λ=633nm).制造过程中在不同支撑状态下,变形量很小,保持了非球面面形精度稳定性,显示出了结构的稳定性.该方法已经成为大口径反射镜制造的关键支撑技术.     

平转动大磨头加工大口径非圆形球面的粗磨试验

提出了用于大口径非圆形球面反射镜研磨和抛光的平转动大磨头加工技术,该技术基于平转动小磨头计算机控制光学表面成形技术,通过增大磨头口径的方式来提高其材料去除效率.针对大口径磨头比较突出的边缘效应,通过低阶拟合以及高阶补偿相结合的方法,在虚拟加工算法中引入边缘效应的影响,保证材料去除效率提高的同时具有一定的面形收敛率,从而...     

空间太阳望远镜中的轻量化铍镜研究

摘 要：针对空间太阳望远镜相关跟踪器中的摆镜研究,开展了Φ84mm轻量化铍镜设计与研制。利用冲击研磨工艺得到铍粉,再通过热等静压工艺和机械加工得到铍镜镜坯。使用化学镀镍工艺在镜坯基体上镀覆镍磷合金过渡层,再经过光学加工完成铍镜研制。干涉检测得到面形精度为,RMS：0.012λ,PV：0.114λ,轻量化率为43.68%。检测结果满足空间太阳望远镜的技术要求。铍镜研制结果表明,金属铍可以作为空间天文仪器中反射镜基体材料,实现了高精度铍镜研制的技术路线,为在我国空间天文仪器中应用铍镜奠定了基础。     

大口径长条形反射镜组件自重变形的仿真与试验

研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化,实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理,分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理,提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法;针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象,求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示:Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%,而球面方程拟合法的计算精度为12.6%;对仿真分析结果的误差评价表明,采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右,与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明,由于Zernike多项式拟合法自身的局限性,不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合,而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。     

运动补偿成像光谱仪的地面分辨率

针对用运动补偿增加成像光谱仪能量积分时间的情况,推导出了其地面分辨率和望远系统焦距选择的一般表达式.运动补偿成像光谱仪地面分辨率与指向反射镜转角成反比关系,转角大时地面分辨率低,反之亦然.给定成像光谱仪探测器像元尺寸为20μm,飞行轨道高度为600 km,光线摆角≤30,以星下点、最大摆角和整个运动补偿段地面分辨率中值为30 m为依据来计算望远系统的焦距,求得望远系统焦距为400、470、435 mm,并给出了此时的地面分辨率相对比值与光线摆角的关系曲线.对于积分时间一定的情况,推导出指向反射镜的反扫角速度公式.结果表明:指向反射镜反扫角速度是卫星运动速度、飞行轨道高度、对目标进行凝视测量时光线的提前摆角、飞行时间及地球半径的函数,改变指向反射镜反扫的角速度,可使积分时间增大N倍.     

关于大望远镜卡焦R-C系统视场改正镜设计的研究

研究了大望远镜卡焦R-C系统视场改正透镜的设计.以2米级口径的望远镜为例,卡氏焦点的焦比为F/9,采用F/3、F/2.5、F/2及F/1.5四种主镜焦比,得到各自的优化结果.其最大像斑尺寸分别为0″.290,0″.418,0″.934及1″.784.研究结果表明,卡焦R-C系统视场改正镜设计的难度取决于主镜的焦比,主镜焦比在F/3左右是很容易设计好的,而若小于F/2.5,则设计难度增加很快.     

大曲率半径球面反射镜球面误差的改善

结合环形抛光工艺,提出了新的球面抛光方法,以满足环形激光器、同步辐射加速器、光学振荡器等对大曲率半径球面反射镜球面误差的特殊要求.基于Preston抛光方程,分析了传统工艺在抛光过程中球面区域沿径向不同点的相对运动轨迹,建立了抛光过程材料去除模型.运用所建立的数学模型对大曲率半径球面反射镜传统抛光过程进行计算机仿真,揭示了传统抛光方法产生球面误差的两个原因,即工件无法始终处于抛光盘工作区域内以及工件自转与抛光盘转速不一致.由此提出增大抛光盘面积和驱动工件同步转动两条措施来降低球面误差.应用提出的新工艺加工了半径为6 000 mm的大曲率半径球面反射镜,测试显示其球面误差△R/R＜0.02,粗糙度小于0.25 nm,表面疵病达到0级,满足设计要求.     

反应连接230mm口径RB-SiC反射镜

针对传统工艺难以制备口径大于1.2m的整块反射镜的问题,提出了反应连接制备大口径RB-SiC反射镜的工艺。该工艺在素坯阶段实现连接,一次反应烧结完成坯体的致密化和镜体的连接。采用该工艺制备了230mm口径的RB-SiC反射镜,并使用FSGJ-2光学数控机床对反射镜进行了研磨、粗抛光和精抛光加工,其镜面面形精度RMS值达到了λ/50(λ=632.8nm)。在环境温度(20±3)℃检测了连接反射镜,其面形变化RMS值小于λ/300,热循环试验前后连接反射镜面形没有明显变化;连接镜体表面在焊缝处粗糙度Ra<3.3nm,连接层与基体的显微结构基本相似,热性能相匹配。研究结果表明,用新型反应连接技术制成的RB-SiC反射镜可以满足空间光学应用要求。     

合成孔径雷达柱面镜的研制

本文叙述了合成孔径雷达光学处理器中柱面镜的加工工艺方法,提出了加工大口径、高精度、易腐蚀光学材料柱面镜的工艺要点与工艺实施方法.     

宽光谱长工作距弱荧光信号检测显微物镜设计

针对癌细胞突变基因诱导荧光信号弱、光谱覆盖范围宽、现有显微镜不能检测等局限,本文设计了光谱波段为450~800nm、数值孔径为0.95的荧光显微物镜。物镜采用++-结构,因宽光谱、大数值孔径像差校正难度大、透镜片数多、装调困难,前组设置成敏感组分,承载物镜装调的调校功能,承担90%以上光焦度;中间组为弱光焦度组分,用于校正大数值孔径下的二级光谱,显著降低了二级光谱校正元件的加工难度;后组为负光焦度组分,用于平像场和增大物镜的工作距离。物镜的设计参数为:总长58mm、工作距0.21mm、视场0.625mm、倍率40×、数值孔径0.95,结果表明:其像质接近衍射极限,畸变小于0.2%,满足多种癌细胞突变基因的弱信号生物监测设计要求。     

Aberration characteristics of immersion lenses for LVSEM

This paper investigates the on-axis aberration characteristics of various immersion objective lenses for low voltage scanning electron microscopy (LVSEM). A simple aperture lens model is used to generate smooth axial field distributions. The simulation results show that mixed field electric-magnetic immersion lenses are predicted to have between 1.5 and 2 times smaller aberration limited probe diameters than their pure-field counterparts. At a landing energy of 1 keV, mixed field immersion lenses operating at the vacuum electrical field breakdown limit are predicted to have on-axis aberration coefficients between 50 and 60 microm, yielding an ultimate image resolution of below 1 nm. These aberrations lie in the same range as those for LVSEM systems that employ aberration correctors.     

Apochromatic correction of the rigid GRIN endoscope

A technique for apochromatic correction of rigid endoscope’s visual channel with an objective and a gradient-index relay is described. The technique consists in incorporating a corrector with a diffractive lens and one or two homogeneous refractive lenses. It is shown that the three-lens corrector can substantially reduce monochromatic aberrations of the system.     

Combined micro-Raman/UV-visible/fluorescence spectrometer for high-throughput analysis of microsamples

Combined micro-Raman/UV-visible (vis)/fluorescence spectroscopy system, which can evaluate an integrated array of more than 10,000 microsamples with a minimuma size of 5 microm within a few hours, has been developed for the first time. The array of microsamples is positioned on a computer-controlled XY translation microstage with a spatial resolution of 1 mum so that the spectra can be mapped with micron precision. Micro-Raman spectrometers have a high spectral resolution of about 2 cm(-1) over the wave number range of 150-3900 cm(-1), while UV-vis and fluorescence spectrometers have high spectral resolutions of 0.4 and 0.1 nm over the wavelength range of 190-900 nm, respectively. In particular, the signal-to-noise ratio of the micro-Raman spectroscopy has been improved by using a holographic Raman grating and a liquid-nitrogen-cooled charge-coupled device detector. The performance of the combined spectroscopy system has been demonstrated by the high-throughput screening of a combinatorial ferroelectric (i.e., BaTi(x)Zr(1-x)O(3)) library. This system makes possible the structure analysis of various materials including ferroelectrics, catalysts, phosphors, polymers, alloys, and so on for the development of novel materials and the ultrasensitive detection of trace amounts of pharmaceuticals and diagnostic agents.     

共孔径消热差红外双波段光学系统

设计了适用于制冷型320×256中波红外凝视焦平面阵列探测器和320×256长波红外凝视焦平面阵列探测器的共孔径消热差折反射式红外双波段光学系统。该系统在中波3.7~4.8μm,长波7.7~11.7μm,环境温度10~40℃下工作,其焦距为292mm,视场角为1.56°×1.875°,F/#为1.93,满足100%冷光阑效率。设计的系统共用主镜、次镜和准直镜组,利用分光镜实现中波红外、长波红外光谱分光,后接各自的校正镜组校正剩余像差。给出了设计原理、设计过程和工程设计时需考虑的一些因素,通过选择合适的光学材料、机械材料和分配光焦度,实现了两路系统在10~40℃环境温度下具有良好的成像性能。该系统成像质量良好、可加工性好、装配难度小、工程可实施性强。     

大视场快焦比施密特系统在星载光谱仪中的应用

根据大视场和快焦比空间遥感高光谱成像仪的研究目标,采用折叠三反施密特望远镜和自由曲面Offner凸面光栅光谱仪结构,设计了一个视场为5°,焦比为2,工作谱段在400～1 000nm,光谱分辨率为5nm的星载高光谱成像仪光学系统。推导了非对称非球面施密特主镜的理论计算方法,介绍了镜面的制造方法。利用Zemax光学设计软件进行了光线追迹和优化设计,结果显示光谱畸变0.88%,光谱弯曲1/3探测器像元,所有谱段的光学传递函数均大于0.8,满足星载高光谱成像仪的技术要求。施密特系统结构简单,仅含有一个非球面,在大视场工作时具有像质优良和畸变小的特点,且中心遮拦比小、体积紧凑,适合未来大视场快焦比的大口径星载遥感应用。     

大孔径面视场PG成像光谱仪的光学设计

针对成像光谱仪通过狭缝进行线视场成像时存在的孔径较小、光学透过率较低等问题,研究了一种基于棱镜-光栅型分光结构的大孔径面视场成像光谱仪。该棱镜-光栅成像光谱仪采用表面浮雕型透射光栅,极大地降低了光栅的制作难度与成本。大孔径面视场的成像光谱仪相较于线视场成像光谱仪有较高光学效率和时间效率。但是面视场成像光谱仪的色畸变与谱线弯曲较难校正。本文将前端望远系统与分光系统进行一体化设计,满足远心光路匹配和孔径匹配,较好地校正了面视场光谱成像系统中的谱线弯曲和色畸变。并且通过加入非球面反射镜及校正镜很好的校正了由于大孔径面视场所引入的非对称性离轴像差。结果表明,设计的大孔径面视场PG成像光谱仪光谱波段范围400~1 000nm,光学调制传递函数达到0.65以上,光谱分辨率达2.5nm,全谱段不同视场的谱线弯曲小于5μm,色畸变小于8μm。     

Characterization of microscope objective lenses from 1,400 to 1,650 nm to evaluate performance for long-wavelength nonlinear microscopy applications

We have demonstrated a simple method for characterization of objective lens performance at longer wavelengths for 3PLSM and THG imaging. We investigated a range of air and oil-immersion objective lenses across a wavelength range of 1,400-1,650 nm using a synchronously pumped optical parametric oscillator laser source. In the first instance, we investigated the percentage light transmission across this spectral range. Second, we used a simple second harmonic autocorrelation pulse measurement technique to study the dispersion properties of these lenses at the range of input wavelengths. For the objective lenses investigated, we observed pulse broadening on the order of around 4%-7% for air immersion lenses and 9%-12% for oil immersion lenses. Even for the greater dispersion incurred by the application of the oil immersion lenses, these objectives are suitable for longer wavelength application in conjunction with a suitable light source. The same techniques could easily be applied for a larger range of objective lenses and adapted for alternative spectral windows and pulse durations.