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。     

大口径大视场校正镜组支撑与装配方法综述

校正镜组是大口径大视场望远镜的核心组件。为了满足透镜面形和成像质量等光学设计要求,透镜支撑结构的设计与安装对准方式的选择尤为重要。本文详细介绍三种透镜支撑结构,压圈隔圈支撑、RTV弹性体支撑和柔性结构支撑,并对三种支撑方式优缺点进行比较。结合实例总结了校正镜组的安装对准方式,对大口径大视场望远镜校正镜组的支撑结构设计及安装方式确定具有非常好的借鉴意义。     

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。     

400 mm跟踪望远镜结构设计和分析

针对主镜口径为400 mm口径的跟踪望远镜的设计要求,提出了一种有效的结构形式。首先确定了望远镜的光学结构形式和系统参数,并将整个系统分成了几个主要组成部分。接着着重确定了主镜室的结构形式,通过优化最佳支撑位置确定了主镜的支撑结构;同时确定了次镜室以及三翼梁的结构。然后运用有限元建模、分析的方法,重点分析了反射镜的面形精度受重力变形和温度变化的影响,进行了整个望远镜系统的刚度分析和温度变化对主次镜间隔的影响。保证了主镜在极限情况下面形RMS 30/,整个系统具有较好的刚度和环境适应性。分析结果表明,反射镜支撑结构以及整个系统的设计均达到了设计要求,可以为类似结构提供一定的指导。     

拼接式合成孔径光学系统的子镜失调误差分析

拼接镜面合成孔径光学系统子镜的失调将对系统成像质量造成较大影响。不同方向的子镜失调误差有不同的误差-评价函数关系,因此有各自严格的公差分配。研究重点是通过对子镜的干涉图和波前判研以及对系统的物理光学分析获得失调特征和数据,从而指导装调。对比了三种结构相似但F数和口径不同的拼接主镜形式合成孔径光学系统,对三个实际系统拼接产生的位置误差进行分析,总结出各误差对系统像质影响的规律,由此提出了类似系统的设计要点。     

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。     

透射式光学系统计算机辅助装校技术初步研究

应用于航天遥感领域的透射式光学镜头光学元件多,分离变量多,结构复杂,成像质量要求接近衍射极限,对光学装调有着苛刻的要求。传统的透射式系统装调一般采用直装定心的方法,通过机床定心和实验室定心结合依次将各个元件的偏心和倾斜调整到预设置公差范围之内。这种方法增加了过程控制的难度,影响了装调一次成功率。在透射式系统装调中引入计算机辅助装调技术是突破传统装调方法,提高系统装调质量和效率行之有效的手段。借助计算机辅助装调技术,通过设置补偿环节的方法针对某一透射式光学镜头的初级像差进行调整,成功将系统装调结果RMS从0.084 （=632.8 nm）提高到0.046 ,实现了高精度、高效率的装调。     

小孔径采样在大口径系统主镜装调中的应用

为了满足大口径光学—红外系统主镜的检测装调,引入了小孔径采样方法对于系统主镜的低阶误差进行分析,进而对系统的装调进行指导。随着光学-红外系统的口径加大,由于检测成本等原因,之前在装调时使用的与制造过程中相同的检测方法已经不再适用。本文首先对于小孔径扫描的基本原理做出了介绍,之后提出了实现本文方法的硬件结构,最后通过数值仿真来验证本文方法的正确性与可行性。对于大口径光学-红外系统主镜的装调检测有着较好的指导作用。     

天文望远镜消旋K镜光学结构设计及分析

大型光学天文望远镜中存在由于不同坐标系转换造成的物方视场旋转和望远镜内部光路中折轴平面反射镜之间的相对转动造成的像方视场旋转。为了提高空间分辨率和获得稳定的图像,需要对视场旋转进行补偿(消旋)。采用K镜作为消旋器件,并通过矩阵方法分析其消旋原理及消旋条件,由此把K镜分为两种结构:对称式和非对称式。与棱镜类似,K镜对系统光轴和成像有影响。在设计时,K镜的口径、体积和角度需要考虑加工装调和望远镜整体光路的要求,在满足要求后,可进行一定的优化。用Zemax可实现对K镜的光学设计,最后用空间几何关系来计算装调误差,并利用MATLAB和Zemax得到误差分析结果。     

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。     

空间光学遥感器精密次镜调整机构设计及试验

随着空间光学遥感器地面分辨率逐步提高,长焦距、大口径相机成为重点研究方向。为了克服重力变化、复合材料变形等因素带来的天地不一致性的问题,次镜调整成为校正光学遥感器离焦和主次镜相对位置变化的关键技术之一。将次镜柔性支撑、精密直线驱动与柔性铰链传动技术相结合,设计了一套高精度次镜调整机构。首先介绍了该套机构的光机构成、工作原理及传动链路,然后对超轻次镜、高精度直线致动、高精度调焦传动等设计分别进行了阐述,最后介绍了力学环境试验后的调整精度测试情况。试验结果表明,该套精密调整机构实测调整行程大于±120μm,轴向调整步距精度0.18μm (3σ值),调整行程内次镜的最大平移误差为1.30μm,最大倾斜误差为1.93″,具有调整范围宽、调整精度高的特点,满足空间光学遥感器精密次镜调整的要求,已成功在轨应用于北京三号B卫星0.5 m级高分辨率空间相机。     

C/SiC在大口径空间望远镜次镜承力筒的应用

设计并研制了基于C/SiC复合材料的大口径空间望远镜次镜承力筒。首先对C/SiC复合材料的特性以及在空间遥感器领域的应用进行了介绍。其次以某大口径空间望远镜次镜承力筒为例,对不同材料下次镜承力筒的质量、力热性能进行了对比。仿真分析表明:设计的C/SiC复合材料次镜承力筒低至32 kg,相比钛合金筒减轻45.5%;基频为204 Hz,满足设计要求;更易于控制热变形对反射镜面形的影响。最终完成了C/SiC复合材料次镜承力筒的研制和主要物理性能的检测,并进行了力学振动试验考核,对振动前后结构的三坐标测量数据进行了比对。结果表明:次镜承力筒组件的基频良好,振动试验前后频漂低于1%,结构的微位移变化量级在微米级。为应用C/SiC开展空间遥感器大尺寸整体成型支撑结构的设计提供有效的参考价值。     

次镜支撑结构硬涂层阻尼减振设计与仿真

为了提高大口径空间望远镜次镜支撑结构的动力学特性,获得更好的成像质量,在对比了目前减振方式优缺点的基础上,提出了一种将阻尼硬涂层涂覆在次镜支撑薄壁梁上进行减振的方法。首先以硬涂层-次镜支撑复合结构综合性能最优为目标分析了硬涂层的最佳涂覆厚度和弹性模量,然后在此基础上用ANSYS分析了次镜支撑结构涂覆硬涂层前后的加速度响应曲线,最后利用Zemax和Matlab等软件分别从镜片刚体位移和镜面面型变化两个角度分析了硬涂层减振对光学成像性能的影响。分析结果表明,在一个6 g量级的正弦激励作用下,涂覆硬涂层后次镜组件在X、Y、Z三个方向上的加速度响应较涂覆前均下降了30%~50%,光学系统成像质量和次镜面型精度也有很大提高。     

大口径望远镜主镜支撑系统装调

针对1.2 m大口径望远镜主镜支撑系统,为保证主镜面形精度均方根要求,提出了一种有效的装调方法。该主镜支撑系统结合运动学原理,分别设计了Whiffletree轴向支撑和柔性切向杆侧向支撑结构,以保证其在较大温差范围内（-20~60℃）以及不同俯仰状态下（垂直-水平）始终具有较好的面形精度。机械加工误差及安装误差使柔性机构在组装过程中极易引入装配应力,明显地增大主镜表面变形。借助于有限元软件对装调过程中可能出现的误差进行仿真分析,根据结果制定装调流程,并对实际装调进行指导。完成主镜支撑系统装调后,采用补偿器和干涉仪对主镜的垂直检测及水平检测,检测出两种状态下主镜的实际面形误差分别为/42和/31（=632.8 nm）。     

长条形空间反射镜组件轻量化结构设计

针对某700 mm×249 mm长条形空间反射镜组件结构设计要求,对反射镜及其支撑结构进行了详细的光机结构设计。首先,从反射镜材料选择、径厚比、支撑方案及轻量化形式等角度出发,对反射镜进行结构设计。通过理论计算得到长条形反射镜的支撑点数。对支撑点位进行了优化,并探索了支撑孔位对反射镜自重变形的影响规律。其次,为满足反射镜组件的力、热环境适应性要求,设计了一种新型柔性支撑结构,并给出了柔性铰链薄弱环节对反射镜面形精度的影响;对支撑结构安装位置深度进行优化,给出反射镜面形精度关于支撑结构安装位置的变化曲线。然后,对反射镜组件进行了有限元分析,自重和5 ℃温升载荷工况下,反射镜面形精度峰谷（Peak Valley,PV）值和均方根（Root Mean Square,RMS）值最大分别达到58.2 nm和12.3 nm;反射镜组件一阶固有频率为259 Hz,低频正弦扫描振动条件下柔性支撑最大应力响应为138 MPa。最后,进行了动力学试验测试。测试结果表明,反射镜组件一阶固有频率为255 Hz,有限元分析误差为1.7%。分析和试验结果表明,反射镜组件结构设计合理,满足设计指标要求。     

空间引力波望远镜主镜组件的结构设计

针对空间引力波望远镜皮米量级的极高光程稳定性需求,对系统中主镜组件进行了优化设计。采用微晶玻璃（Zerodur）作为反射镜材料,支撑结构材料为铟钢（4J36）。首先,通过对反射镜参数的优化,使其在保证面形精度的同时镜体轻量化率达到了72%。然后,设计了一种双轴联杆型Bipod柔性反射镜支撑结构,并采用了侧面三点支撑的形式。以保证有效的支撑刚度及卸载效果为目的,建立了柔性铰链的数学模型,并基于Matlab对其尺寸参数进行了优化。最后,对优化设计后主镜组件进行了模态分析及振动试验,并完成了在轨分析与波前质量计算。结果显示,主镜组件的一阶固有频率为373 Hz,与试验结果的相对误差为3.5%;在轨环境下主镜面形精度达到8.9 nm（RMS）;波前精度为/5（=1 064 nm）。表明该反射镜组件满足设计指标要求。     

大口径望远镜阻尼调制技术

针对大口径望远镜由于自身尺度的增加以及钢桁架结构所带来的阻尼不足的情况，开展了大口径望远镜阻尼调制技术的研究，提出了一种基于动力学模型的调制质量阻尼器的设计方法。首先分析了现有的大口径望远镜的阻尼调制策略，选择了使用专门的阻尼调制器的解决方案；之后，研究了建立系统动力学缩减模型以及基于该模型的动力学检测方法，为阻尼调制器的设计打下基础。最后，设计了适应某大口径望远镜主镜模态的调制质量阻尼器。为验证文中的正确性，针对一阶固有频率为172 Hz实验系统进行了阻尼调制实验，使用调制质量阻尼器后，该频率所对应的响应有明显的下降。同时，对于用于验证的大口径望远镜，计算得到其141 Hz的主镜模态对应的调制质量阻尼器质量为7.015 kg。刚度为5.506 N/mm。提出了一种基于动力学模型的调制质量阻尼器的设计方法。分析了现有大口径望远镜的阻尼调制策略，选择了使用专门阻尼调制器的解决方案，不仅可指导下一代望远镜的建设工作，还可以对现有设备进行有效的升级。     

临近空间望远镜次镜优化设计

根据临近空间球载望远镜高力热稳定性、高性能的要求，对其次镜组件进行优化设计。临近空间球载望远镜虽然没有火箭发射力学环境严苛，但是其独特的飞行过程受到温度变化、加速度等影响，同时由气球搭载升空，质量要求较为严格。相比于传统反射镜设计方法，采用实体优化和基结构优化相结合的方法，集成优化对镜体进行设计，引入综合评价因子优化次镜综合性能，最终次镜组件性能良好，说明优化方法有效。通过有限元仿真分析得次镜组件在重力和±3 ℃均匀温变工况下刚体位移小于3 μm，面形精度优于λ/50，在0.02 mm装配误差下面形精度优于1 nm。次镜组件一阶频率为203.8 Hz，10 g加速度应力响应（35.4 MPa）远小于材料屈服应力。采用该方法优化可获得高力热稳定性、高性能的次镜组件。     

调制传递函数在光学相机支撑设计中的应用

为指导遥感相机主次镜支撑桁架的设计,以满足整系统调制传递函数(MTF)为目标,分析系统各环节MTF对整机的影响,确定以光学衍射限传递函数为约束设计系统主体支撑结构。由在轨产品的实测MTF及装调、电子学的传递函数因子推出杆支撑条件下的光学衍射限传递函数最小值,指出光学软件不能全面评价遮拦对光学衍射限传递函数的影响,确定以光瞳函数计算不同遮拦时光学系统衍射限传递函数,得出三杆时杆直径最大为38mm,四杆时杆直径最大为26mm的遮拦分布。通过有限元计算两种结构布局下杆不同壁厚的系统静载变形及模态频率,认为直径26mm、壁厚4mm的四杆结构,支撑结构质量从现有40kg减至4kg,静载变形水平放置25μm、竖直放置0.85μm,系统基频98.9Hz,一阶扭转频率183Hz,满足卫星载荷设计要求。     

小型红外相机结构设计与分析

为使某飞行设备携带的小型红外相机在宽温度范围及恶劣动力学环境下能够良好成像,开展了红外相机光机结构设计。首先对光学系统及整机工作环境进行了分析,确定了光机结构采用全铝机身;其次对核心部件主镜的支撑结构进行了详细研究,分析说明了主镜传统支撑方式的局限性,确定了主镜与支撑采用一体化设计的方案,该设计同样适用于次镜;接着根据相机尺寸选择了主次镜间支撑结构;然后根据光学系统设计了合理的遮光罩;最后,对相机过载适应性、温度适应性及模态进行了有限元分析,分析结果表明:该小型红外相机的光机结构能够满足设计指标要求。