立方星平台相机光学系统设计

立方星具有发射成本低、周期短、尺寸小和功率小等优点,非常适合某些创新技术率先验证、星载一体化或者以分布式空间网络的方式提供遥感与通讯等服务,例如星座和编队飞行等.鉴于此,设计一个适用于3U立方星平台的相机光学系统.首先通过对不同光学系统结构进行对比分析,确定系统采用同轴折反式结构,该系统的焦距为460 mm,视场角为4...     

空间相机离轴三反红外光学系统设计

针对空间光学系统长焦距、大视场、小型化、轻量化、大相对孔径、高成像质量的特点和发展趋势,通过对非球面反射式光学系统设计模型及其理论参数的研究分析,在共轴三反射式光学系统的基础上,提出了一种离轴三反射式红外光学系统的设计方法.利用ZEMAX求解并优化,设计一个焦距f=1000 mm,视场角为4°,D/f=1/4的反射式离轴光学系统.使该系统在50 lp/mm空间频率处传函达到0.3以上,接近衍射极限,全视场弥散斑控制在10μm以内,满足空间照相机的需要.该系统克服了共轴三反存在中心遮挡的问题,提高了系统的像质.     

空间相机共轴三反红外光学系统设计

针对空间光学系统长焦距、大视场、轻质量、小外形尺寸、大相对孔径、高成像质量的特点和发展趋势,利用ZE-MAX求解并优化空间相机共轴三反光学系统的结构参数,设计出了焦距为5 000mm,F数为10的共轴三反射光学系统.设计结果表明:该系统视场角达8°,空间频率为50 lp/mm,调制传递函数值均大于0.4,接近衍射极限,...     

空间光学系统无热化设计

在空间光学系统无热化设计时,需要考虑机械结构的热性能对系统热稳定性的贡献,满足系统总光焦度和消热差、消色差要求,解出各光学组元的光焦度,再在保持光焦度不变条件下进行像差平衡。本文以成像光谱仪为例,对反射系统进行了热分析,对折射系统介绍了无热化设计的原理和方法,并给出了设计结果。     

适用于微小卫星平台的小型可见光相机设计

现代微小卫星具有体积小、质量轻、研制周期短、成本低、发射方式灵活等优势, 可在多个领域发挥重要作用, 因此备受各国青睐, 是当前空间技术发展的一个重要方向。实现微小卫星的一大关键是所搭载仪器、设备的小型化。设计了一套小型可见光相机, 适合搭载于微小卫星平台。相机焦距210 mm, 有效口径56 mm, 角分辨率33 rad, 视场7.87.8, 像素规模达16 M。设计分析对比了不同光学结构型式的特点, 最终采用折反射式光学系统。设计采用全球面镜片, 选用了融石英和常规火石玻璃等低密度材料组合消像差, 系统长度110 mm, 摄远比小于0.53, 光学质量小于370 g。     

大型自由曲面离轴三反光学系统降敏设计(特邀)EI北大核心CSCD

离轴三反光学系统基于无孔径遮拦、可实现大视场等优势,结合自由度高、像差校正能力强的光学自由曲面,可以实现优异的光学性能。光学系统成像指标的不断提高促使反射式光学系统的口径和焦距不断增大,光学系统误差敏感度剧增,加工难度和装调敏感度也随之提高,耗费的时间和经济成本巨大。误差敏感度可以表征光学系统在失调后的敏感程度,误差敏感度低的光学系统公差精度要求宽松,在优化过程中控制误差敏感度可以实现像质与成本之间的最佳平衡。因此,降敏优化是光学系统设计过程中不可或缺的一环。文中提出的角度优化降敏设计方法和局部曲率控制降敏设计方法对一个焦距30000 mm、F数为15、视场角1°×1°的大型自由曲面离轴三反光学系统进行了降敏设计并进行对比,结果表明,在光学系统构型无显著差异的情况下,使用两种降敏设计方法降敏后的光学系统像差校正理论结果均表现优异,调制传递函数(MTF)均接近衍射极限,两种降敏设计方法均可以有效降低光学系统误差敏感度。对比发现,局部曲率控制降敏设计方法降敏效果更好。     

3.7~4.8 μm红外二次成像折反射式光学系统设计

为满足小、远目标和空间目标的光学特性测量需求,提出以RC结构为设计基础,通过曲线方程和高斯公式确立反射式光学系统初始结构参数。为达到优化设计目的,结构中引入了二次成像中继镜组,解决了100%冷光阑效率问题。通过ZEMAX建立评价函数,仿真测试表明:设计完成的红外二次成像折反射式光学系统口径200 mm,焦距380 mm,结构紧凑简单,成像质量满足实际测量需求。     

折反式红外全景天空相机光学系统设计

利用红外全景天空相机可以获得天空中云的分布和温度信息,从而可对天气状况做出判断。采用等距离投影成像方式,可根据简单的数据转换关系从天空全景图像中任意点的位置坐标得到其对应的空间角度。为了实现等距离投影红外全景相机的设计,提出了一种简洁高效的计算等距离投影反射镜面型的数值方法,并在此基础上设计了8~12 m 长波红外波段全景天空相机。该相机的视场角为360（5~80）,校准畸变量在0.02%以下,MTF 值在探测器Nyquist 频率处高于0.4,非常适用于全景天空观测。     

一种易于制造的空间相机光学系统设计

空间技术的不断发展对空间相机光学系统的设计不断提出新的要求,为了提高相机系统的可靠性,对系统的面型加工精度有更高的要求。介绍了一种易于制造的空间相机光学系统,基于R-C系统,设计了含有三块球面校正镜组件的折反式光学系统。结果表明,该光学系统在空间频率50 lp/mm处,调制传递函数均大于0.4,主镜和次镜均为二次曲面,其余均为球面,具有易于制造装调等优点。     

反射式自由曲面头盔显示器光学系统设计

头盔显示器（HMD）作为一种头戴目视设备,具有小型化、轻量化的特点,同时为了获得良好的佩戴体验,要求合理的出瞳距、出瞳直径以及视场。为了同时满足头盔显示器的上述要求,采用紧凑的双反射镜结构来满足头盔显示器对体积和重量的要求,应用自由曲面增加设计自由度来校正大视场和非旋转对称结构引入的像差,并阐述了自由曲面补偿非旋转对称光学系统像差的基本原理以及该光学系统的设计方法与过程。该光学系统无色差,视场为5025,出瞳大小为8 mm,出瞳距大于27 mm。在奈奎斯特频率处全视场的调制传递函数大于0.4,可应用于新一代头盔显示技术。     

空间遥感相机成像单元结构设计

根据某型号空间遥感相机的技术指标要求,对成像单元进行了详细的设计与分析。首先,给出了一种小体积、轻质量、高稳定性成像单元的结构形式;其次,针对遥感相机电子学设备在轨工作的复杂工况,提出了成像单元防护性设计方法,对大功耗元器件设计了主动热控措施;最后用有限元法对成像单元进行了详细分析,分析结果表明,成像单元一阶模态为184 Hz,远大于遥感相机基频106 Hz,具有较好的动态性能;成像单元在自重、25℃工况条件下,力学及热稳定性较高。对成像单元进行了力学和热光学试验,力学试验结果表明成像单元的一阶频率为185 Hz,与理论分析结果一致性较好,热光学试验结果表明:成像单元对整机热光学性能影响很小,各项指标均满足设计要求。     

空间碎片多光谱探测相机光学系统设计

为了实现对空间碎片探测,提出了一种空间碎片多光谱探测相机光学系统,由可见光相机、长波红外相机、中波红外相机光学系统组成,三个相机共用主、次镜,在三路相机光学系统中同时加入校正组件平衡校正像差,可见光相机焦距为1000mm,视场为1.2,长波红外相机焦距为-250mm,视场为2.75,中波红外相机焦距为-500mm,视场为1.38,考虑了温度对相机像质的影响,采用热膨胀性系数小的材料作为反射镜基底,分析了三个相机光学系统在空间环境下（205℃）温度环境下的像质变化,设计结果能满足使用要求。     

自由空间光通讯中应用的光纤耦合系统设计

在分析光纤通信、光纤传感等系统光纤耦合特点的基础上,讨论了自由空间光通讯系统光纤耦合前端的设计理念和总体要求。给出了针对840m通讯波段的光纤耦合系统设计实例,并且对设计优化结果进行了分析。     

Free space optical system design using particle swarm optimization

The performance of the free‐space optical (FSO) communication system is severely affected by atmospheric properties and misalignment between transmitter‐receiver sections. These effects can be minimized by selecting the precise and proper value of operating parameters. The divergence angle can play a key role in mitigating the negative impact of deviation of an optical beam from its fundamental direction due to different adverse influences. In this paper, we have presented a particle swarm optimization model for determining the optimum divergence angle for designing an optimal FSO link. The FSO transreception quality depends on the medium properties which have a number of detrimental effects like rain, fog, haze, physical obstruction, scattering, and atmospheric turbulence. The proposed work investigate the optimum divergence angle with respect to the maximum deviation angle under different adverse conditions, as mentioned above. Taking into account these effects, the analytical expression of optical link margin and the optimum divergence angle with respect to the maximum deviation angle is derived. The results are analyzed for finding out the most suitable wavelength of the transmitter, transmitted power, link margin, and the link budget under different adverse conditions for reliable communication.     

空间相机主反射镜结构拓扑优化设计

随着空间光学的发展.遥感器的口径越来越大,分辨率越来越高,这就导致遥感器的主反射镜口径和质量越来越大.主反射镜的设计是否合理,将直接影响遥感器的质量和成像质量.因此采用拓扑优化方法与有限元计算方法相结合,以NASTRAN为有限元解算器,以PATRAN为前处理器,在空间光学遥感器主反射镜外形、栽荷、环境工况确定的情况下,对其结构进行拓扑优化,得到最优结构形式.通过对优化前后结构进行有限元分析,结果表明:优化后的反射镜镜面面形比传统的镜面面形减小或相当,质量减轻32%,动力学性能改善.优化后的主反射镜结构能够满足加工、工艺和装配的技术要求.这种优化与有限元分析技术的结合将为以后的光学反射镜的设计提供有效的帮助.     

空间相机遮光罩的低功耗热设计

空间相机遮光罩的温度波动直接影响附近光学元件的温度波动,而光学元件的热变形将导致光学成像质量的下降。针对一种高分辨率空间相机的遮光罩,提出了几种不同的热控方案并进行了比对分析。首先,介绍了空间相机遮光罩的一般热控措施及效果并分析了影响空间相机遮光罩温度波动的外热流及传导热阻;然后通过仿真分析得到了三种不同热控方案下的温度数据及主动加热功耗数据,经过比对分析后选用了主动加热功耗少、温度波动范围小的热设计方案。最后,通过热平衡试验及在轨数据验证了选用方案的有效性。空间相机遮光罩的在轨温度范围为4.8~9.2℃,次镜温度范围为17.8~17.9℃,与仿真分析结果一致性良好,热设计合理有效,满足任务需求。     

轻小型立体相机光学系统研制

针对民用低成本立体成像的应用需求,设计了一种轻小型立体成像相机光学系统,旨在于在250 km轨道高度地面实现像元分辨率为50 m的立体成像,该光学系统在焦面探测器配合下,既可实现立体成像,又可实现大画幅面阵成像。该系统焦距f'=32 mm,视场角2=66,相对孔径D/f'=1:6.8,工作谱段450~750 nm。光学系统设计中,采用反远距系统与消色差显微物镜两种光学结构组合的形式,最终全视场光学传递设计值优于0.49@78 lp/mm,几何畸变小于0.1%,边缘视场与中心视场照度比0.83,边缘视场与主光线入射角小于15。光学系统采用精密定心装配,并对成像质量进行了检测,装调后相机光学系统传递函数的测试值均优于0.4@80 lp/mm,满足实验室静态传递函数优于0.2的指标。该光学系统在成像幅宽、几何畸变数值等方面的指标均优于国内外典型立体相机。     

空间相机桁架式支撑结构的集成优化设计

桁架式支撑结构在大中型离轴三反(TMA)空间相机中使用广泛,如何提高其动力学特性是此类相机研制过程中的关键。针对桁架结构的设计问题,提出了通过集成优化确定桁架结构动力学特性最佳位置的方法,使用实验设计的手段,对影响其动力学特性的各桁架杆位置变量进行了研究,分析了该优化问题解空间的特点;为了实现桁架结构的全局最优设计,以提高支撑结构的一阶自然频率为目标,使用多岛遗传算法(Multi-island GA)进行全局寻优求解。利用有限元分析的方法,得到该桁架经优化后的一阶自然频率107.72 Hz,较未经优化的初始结构(83.45 Hz)提升了29%,效果显著。该研究提出的集成优化模型和分析方法为此类桁架结构的设计提出了新的思路。     

航天光学遥感相机多谱带滤光片设计与考核方法

多谱带滤光片是航天光学遥感相机上的关键器件。其兼具多个谱带滤光及探测器封装的功能,特征尺寸多,膜系复杂,其设计及考核过程相比全色或单谱带滤光片要复杂得多。介绍了多谱带滤光片的基片外形尺寸、滤光窗口尺寸、像元位置标识窗口、封装对准标识等关键特征尺寸的设计及计算方法。分析了滤光片的设计加工误差对滤光片与光敏芯片的封装对准精度、探测器在焦平面上的配准拼接以及相机的光谱响应特性等的影响。并基于现有的航天器环境考核方法提出了一套针对多谱带滤光片的环境考核流程和测试方法。最后给出了某相机多谱带滤光片的设计及考核应用实例。