基于TFT-LCD的动态星模拟器光学系统设计

设计了一种视场28°、相对孔径/=1.7和焦距=60.636mm的动态星模拟器光学系统。通过分析像质,MTF数在空间频率为50lp/mm时达到了0.4,最大畸变为0.175%,此动态星模拟器的光学系统完全满足设计要求。     

大视场高精度紫外地球模拟器光学系统设计

静态紫外地球模拟器通过性能测试和精度标定,对紫外地球敏感器自身姿态测量的精度起决定性作用。结合静态紫外地球模拟器的组成与工作原理,分析并选取了七片透镜组作为初始结构;结合地球模拟器光学系统的技术要求,分析确定了畸变的像差容限,利用ZEMAX软件对静态紫外地球模拟器光学系统进行优化,并分别对40°和17.46°的视场角进行像质评价,经优化后的光学系统最大场曲约为0.12 mm,相对畸变小于0.25%,平行度误差优于9.4″,视场角为40°和视场角为17.46°时地球张角误差分别为0.016 391°和0.016 51°,对实现卫星高精度自主导航具有一定的现实意义。     

标定型星模拟器设计与关键参数测试

为了完成高精度星敏感器关键参数的地面标定,研制单星指向误差优于3″、星间角距误差优于5″的标定型星模拟器。根据标定型星模拟器的工作原理,设计高精度的准直光学系统,从设计结果分析,光学系统有效视场为37°,全视场角内准直光学系统相对畸变≤0.1%,MTF达到衍射极限,可以实现对星点位置的准确模拟。提出单星指向、星间角距等关键参数的误差计算方法并进行测试,实验结果表明:设计的标定型星模拟器的成像精度符合设计指标要求,整个设备可以满足高精度星敏感器地面测试的使用需要。     

静态星模拟器设计与精度分析

为了实现对星敏感器进行的地面标定和精度测试,研制高精度静态星模拟器,要求模拟器的星间角距精度优于10″。利用激光直写技术制作星点分划板,将其作为核心显示器件来模拟星图,设计准直光学系统实现无穷远距离和角度模拟,并通过优化像差保证模拟星点的成像质量。同时,提出星点位置修正方法以改善由于焦距测不准和光学系统相差带来的星图模拟误差。实验结果表明:经过修正的星图,单星位置模拟精度优于10″,可以作为地面标定与测试装置,供星敏感器进行观测。     

高精度静态星模拟器光学系统设计

为了实现对高精度星敏感器的地面测试,设计了一种高精度的静态星模拟器,要求星模拟器星间角距精度优于20″。采用激光直写技术刻划星点分划板,刻划精度优于1μm。结合系统的技术指标,通过ZEMAX软件设计了具有良好成像质量的准直光学系统。设计的准直光学系统有效通光口径为80mm,系统焦距为500mm,光谱范围为480~900nm,全视场9.2°内畸变小于0.02%,MTF接近衍射极限。提出用经纬仪对系统进行实际检测的方法,以及理论星间角距和实际星间角距的计算公式。     

长出瞳距动态星模拟器投影光学系统设计

星模拟器可仿真生成星场图像,是星敏感器的重要地面标定设备.为满足半实物仿真测试需求,星模拟器需要安装于五轴运动转台上,为保其出瞳与待检设备入瞳衔接,利用ZEMAX软件设计并优化了具有超长出瞳距的投影镜头,其设计结果为:出瞳距1250 mm,焦距300.85 mm.投影系统的序列光线追迹结果表明:畸变小于1％,各视场53 lp/mm处的MTF值优于0.4903,接近衍射极限曲线.最后对星模拟器的星间角距误差进行计算和实验验证,计算结果表明,长出瞳距动态星模拟器的理论误差精度为8″;利用徕卡经纬仪6100A对星模拟器进行实际测试,结果表明星间角距误差优于13″,满足动态星模拟器的技术指标要求.     

基于星模拟器综合误差的星点修正方法的研究

对静态星模拟器的工作原理及星点位置误差的计算方法进行了研究,提出了一种新的星点位置的修正方法。利用这种修正方法能够在现有基础上提高星模拟器的模拟精度,有效降低对静态星模拟器光学系统设计的要求,减小星模拟器综合误差对星模拟器精度的影响。通过实验证明,修正后的星点误差均优于10″,可用于高精度星敏感器的地面标定。     

高精度经纬仪与CCD相结合的星模拟器星点位置测量系统设计

为实现对星模拟器星点位置的测量,建立了高精度经纬仪与CCD相结合的新测量系统。首先,莱卡TM6100A型高精度经纬仪实现星点搜索和定位,然后利用ZEMAX优化的星点成像光学系统完成经纬仪与ICX618ALA型面阵CCD芯片的光学衔接,通过EP2C8T144C8N型FPGA完成星点图像信息采集、处理和传输的控制,最后利用MATLAB根据平方加权质心算法完成星点提取。根据光学系统像差和星点提取仿真分析,总结了系统的理论误差分析结果。结果表明:该测量系统不受视场限制且星点位置测量误差为4.66',满足测量范围为±12°视场,单星位置误差测量精度优于5'的要求。     

小型静态星模拟器光学系统设计

介绍了静态星模拟器的工作原理,对光学系统的参数进行了分析,提出了一个大视场小型静态星模拟器准直物镜光学系统设计方案.系统选用七片透镜进行设计,有效孔径为25mm,其焦距为60.01mm,视场角为28.3°.像质分析表明,此光学系统能够满足设计要求.     

“日盲”紫外信号目标模拟器光学系统设计

"日盲"紫外探测系统由于工作在日盲区,具有独特的探测优势,在民用和军事领域都得到了广泛的关注和应用。完成了"日盲"紫外信号目标模拟器光学系统的研究和优化设计。基于"日盲"紫外光谱特性,研究目标模拟器的设计的工作原理和设计方法,给出了"日盲"紫外信号目标模拟器的光学系统设计和像差评价。设计完成了一款焦距500mm、相对孔径1/10、波段0.24μm~0.28μm、视场角2°的"日盲"紫外信号目标模拟器系统。系统共采用了4片球面透镜,由两种紫外光学材料组成,光学系统总长540mm,光学传递函数在37lp/mm时大于0.7,畸变小于0.005%,具有成像质量好、结构简单紧凑的优点和很高的应用价值。     

基于实际眼结构的个性化投影式头盔物镜研制

利用实际人眼光学系统的波前像差数据、角膜地形图数据和眼轴向深度数据建立了个体人眼光学系统。然后以能够在实际人眼视网膜上理想成像为优化目标,设计和研制了既能矫正物镜本身像差又能矫正实际人眼光学系统像差的个性化68°大视场投影式头盔物镜,给出了头盔佩带者视网膜上的成像质量,其中畸变仅为2%,横向色差为10.0μm,分辨率为50lp/mm,在没有采用衍射元件的情况下,加工装配后头盔物镜的总质量小于18g,能够满足现代化高性能、大视场、轻型化头盔的要求。     

动态目标模拟器星图显示系统设计

动态目标模拟器是在地面模拟星空,对星敏感器的星图识别算法进行功能测试,可实时给出星图的检测设备。设计了动态目标模拟器的星图显示系统。首先阐述了动态目标模拟器的工作原理,其次推导了系统涉及的核心算法,然后进行了系统的硬件及软件设计,并得出仿真结果。该系统在22°视场内可模拟2-6等星,单星张角小于42"。对相关领域的研究具有参考价值。     

长波制冷型热像仪光学系统设计

根据制冷型热像仪的技术要求,从机电补偿式消热差出发,设计了一套三片式、结构紧凑、质量较轻的制冷红外热像仪光学系统。热像仪工作波段为8μm～12μm,光学系统焦距50mm,F数为1.7,视场11.2°×8.2°。光学系统的成像质量接近衍射极限,在探测器的Nyquist频率处各视场的MTF值均大于0.5,各视场的弥散斑直径小于0.05mm,满足热像仪的成像要求。     

基于自由曲面的视觉距离连续变化飞行视景显示系统设计

视景显示系统是飞行模拟器的重要组成部分,针对不同飞行训练对视觉距离的要求,提出使用自由曲面实现视觉距离连续变化。自由曲面上的每一点都与每一个物距相对应,通过光学设计软件中的宏语言编程方法得到每一个像点,使用所有的像点组成的面即为所求的自由曲面,应用这种面型作为投影屏,可以实现视觉距离连续变化的要求。设计的视觉距离连续变化视景显示系统的技术指标为水平视场200°,垂直视场50°（20°--30°）,视觉距离为10m至无穷远。该系统能够真实的模拟出空间深度感觉,目视分辨率在所有视场位置均小于1＇。     

高刷新率星图显示算法设计

动态星模拟器常用星图显示算法由于检索量大、检索过程繁琐的问题,导致目前数字星图刷新率难以满足高角速度星敏感器的测试、标定需求。提出了一种四棱锥分区检索导航星的新算法,采用将检索区域缩小为四棱锥体对应区域和优化索引机制的方法提高星图刷新率。利用赤纬带剖分天球和视场外切矩形法细分天球,将天球分成了约6万个以天球中心为顶点的四棱锥体,然后通过导航星的提取过程从对应四棱锥体中提取出星敏感器视场内的导航星。以星敏感器10°×10°视场为例验证了新算法星图的准确性,实验结果表明新算法星图不存在丢星少星现象,且单星位置平均、绝对误差小于14″。并且针对新算法星图的动态性设计了星图刷新率测试程序,其测试结果表明新算法星图刷新率达到了110 Hz,相对传统算法提高了近一倍,尤其当星表数据较大时,星图刷新率提高更为明显。     

电子内窥镜光学系统设计

内窥镜观察范围大,并且观察系统多与手术器械相配合,具有广角长工作距的特点,因此物镜采用非对称反远距结构。设计的光学系统采用尺寸为3.30mm×2.95mm CCD接收成像,像元大小为3.275μm,实现了短焦距（1.7mm）、细径化（Φ=5.5mm）、大视场（100°）、长工作距（50mm）的光学特性。由于该系统为大视场光学系统,会有较大畸变,针对反远距物镜分析了其结构特点和像差特性,通过计算得出系统各个参数,并合理的引用非球面,达到了提高系统成像质量并且降低系统畸变的目的,利用ZEMAX光学设计软件给出了设计实例,并已经应用到实际生产中。     

月球模拟器光学系统设计

针对传统的月球模拟器的辐照特性差、体型巨大、成本较高等缺点,本文应用液晶光阀技术设计了一种新型的月球模拟器,并重点对月球模拟器光学系统进行了研究。选用LCOS芯片作为模拟光源的调节器件,采用偏振分光棱镜将照明光源发出的光变为偏振光,通过控制系统对LCOS芯片的控制,利用LCOS芯片的反射特性对偏振光进行调节,实现了不同有效通光孔径的模拟,通过光学系统对LCOS反射光进行优化,将出射光调制成像质不失真的月相,可以模拟不同的月相及辐射特性。相对传统月球模拟器,采用LCOS器件的月球模拟器有效的提高了控制精度与模拟能力、减小了模拟器体积。仿真结果表明：设计的月球模拟器光学系统可以满足设计要求,并且亮度不均匀性好。     

大相对孔径轻小型星敏感器光机系统设计

星敏感器的光机设计水平直接关系到仪器姿态测量精度的极限。为满足微纳卫星平台使用需求,设计了一种大相对孔径,宽视场的超轻小型星敏感器光学系统及其机械结构。镜头选用6片球面透镜,有效焦距为16mm,工作波长为500～800nm,F#=1.2,视场为20°,全视场内,像点80%的能量集中在3×3像元内,全视场倍率色差小于2μm,相对畸变小于0.1%,优化后所有视场下MTF值均大于0.4。系统总长仅为26mm。针对星敏感器光学系统轻小化需求,选取铍铝合金作为材料进行结构设计。在抗震方面,采用具有相切界面的圆锥类隔圈和压圈以增加接触面积,减小对镜片压强。最终光机系统总质量为10.32g,能够较好的满足小卫星平台的使用需求。     

大视场多星模拟器标定技术研究

应用65个无穷远目标模拟天区恒星,建立天区恒星坐标系,将J2000.0天球坐标系中恒星坐标转换成星模拟器坐标,通过计算平行光管光轴指向,设计光管安装基座,将所有平行光管按照计算结果放置于光管安装基座上,每个平行光管目标源模拟相应恒星位置。星等调节通过利用占空比调节的可调恒流驱动技术来实现,通过控制占空比,调整LED光源输出照度模拟不同恒星星等。在视场20°×40°范围内,通过对星等和星角距的标定,恒星相对位置模拟精度优于2.48″,星等误差优于4.7%,在±1.5 Mv范围内可调。连续工作4 h,模拟星的照度变化小于6.7%,位置精度无明显变化。     

小视场红外探头光学系统理论分析与设计

为了提高地球模拟器张角标定中整体测试精度,本文从红外探头设计要求、红外光学系统光学设计等方面对地球模拟器张角标定的关键部件—小视场红外探头进行了深入分析,并设计出一种小视场红外探头用红外光学系统,有效解决了因视场太小造成的信噪比过低,而引起整体测试精度降低的难题,提高了张角标定的精度。