高精度透射式空间光学系统装调误差分析与动态控制

高分辨率对地观测对航天遥感器的成像质量提出了严格的要求,装框应力和偏心误差是影响大口径高精度透射式光学系统装调质量的重要因素。首先,在理论上分析了透镜装框应力的影响,实验测量了不同装调应力下的透镜面形,分析了装框应力对系统光学传递函数(MTF)的影响。然后,对光学元件的装调偏心误差进行了研究,测量了一个偏心系统的波前干涉图,分析了偏心导致的光学系统像差,仿真计算了不同透镜偏心误差对像差和MTF的影响。介绍了一种在偏心误差小量超差的情况下,利用中心偏测量仪、干涉仪的测量数据对光学系统进行实时仿真,动态控制装调质量的方法,并在实验上对预估结果进行了验证。结果表明:高精度透射式光学系统装调过程中光学偏心和应力导致的面形变化是影响光学系统质量的主要因素,偏心误差的影响大于应力的影响,不同透镜偏心误差对系统质量有着较大的差异且相互补偿。仿真预估方法能够在装调公差日益苛刻的情况下动态评定各误差间的相互影响与补偿,实时评价光学系统的质量,提高装调效率。     

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。     

几种失调反射光学系统的波像差特性

为了描述失调状态下反射光学系统在整个像平面中的波像差分布特性,从而对反射光学系统进行有效的装调,对偏心和倾斜影响下的几种反射光学系统的三阶彗差和三阶像散进行了研究。首先,对失调光学系统三阶波像差的矢量形式进行了推导。然后,对失调状态下经典Cassegrain系统、Ritchey-Chrtien系统和三反射镜消像散系统三阶彗差和三阶像散的分布情况进行了分析,并且对两反射和三反射系统的装调进行了简要的讨论。使用Zernike多项式对视场中各个位置的波像差进行拟合,分离出三阶彗差和三阶像散并进行了全视场显示。理论分析与实际拟合结果一致,说明结论是正确的。     

基于像差特性分析的光学系统横向失调校正方法

在高分辨力光学系统中,光学元件偏心引起的光学系统初级像差特性已经成为系统设计和装调必须要考虑的因素,文中拟从分析透镜横向失调量对像差影响的基础上,提出了一种考虑像差特性影响的光学零件装调校正方法。在考虑光学元件偏心对像差的影响的情况下,推导了光瞳中心位置和像面中心位置随透镜偏心程度的变化,建立了光学系统失调校正量和像差增量之间的数学关系,提出了一种基于像差理论的透射式光学系统横向失调校正方法,可以弥补现有高斯光学校正方法的不足。以三透镜准直系统为例,利用ZEMAX软件仿真验证了文中方法的有效性,实验表明该方法所选择的调整方案在所有调整方案中引起的像差增量最小,降低了校正过程中对光学系统成像质量的影响。     

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。     

考虑像差影响的透射式光学系统失调校正方法

随着高分辨力光学系统应用领域的不断拓展,光学元件的高精度装配要求和高精度的设计要求一样,已成为光学系统分辨力的决定性因素。现有的高斯光学校正方法仅考虑物像位置关系的调整,已不能满足光学系统的调整要求,光学仪器的调整理论需要同步发展。考虑像差对光学系统失调的影响,提出了一种基于像差理论的(透射式)光学系统失调校正方法:分析了单透镜轴向位移引起的像差变化规律,给出了像差影响系数的定义;在此基础上,通过反演计算像面位置误差和放大率误差所需的透镜调整量,数学推导出了基于像差约束条件的光学系统失调校正公式。以三透镜准直系统为例进行了仿真实验验证,证明了将像差约束引导到校正方法中,能够同时满足高斯光学特性的要求和像差增量最小的要求。     

利用像散分析实现的大口径望远镜装调技术

望远镜装调技术是一种可有效提高光学系统像质的装调方法。针对孔径光阑位于主镜上的RC式望远镜系统,分析了装调过程中由于次镜偏心导致在零彗差前提下依赖视场的三级像散。研究了通过离焦星点得到外围轮廓的长轴长度和椭圆偏心率计算像散幅值和角度的算法,并验证了基于像散性质的另外一种辅助的装调方法。使用Zemax软件和Matlab编程模型仿真实现了装调技术,应用第一种装调方法分析了全视场8个离焦星点的像散幅值和角度,与软件的结果进行了对比,并且分析了其他三级像差(如彗差和球差)的干扰作用。最后,结合工程应用讨论了实际工作中如何实现装调技术。仿真结果显示,该方法具有较好的精度、抗干扰能力和实际应用价值。     

失调三反消像散光学系统像差特性

文中以矢量波像差理论为基础,对TMA 光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调TMA 系统的初级球差在全视场内为常量,彗差在全视场内的方向与量值均为常量,由失调引入的像散表现为失对称性、像散值与视场成线性,其零点位于中心视场。在校正失调产生彗差时,TMA 系统像散零点位于轴上视场,像差接近于零,而边缘视场的像散依然较大,因此在TMA 系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差。在同样情况下若轴上视场测量到像散,则是由于主镜的面形误差导致而非系统失调引起。利用CODE V对失调TMA系统的失调像差分布进行仿真,结果表明,利用矢量波像差理论可以对失调TMA系统的像差进行定性分析,以提高TMA 系统的装调效率。     

失调卡塞格林光学系统像差特性的研究

以矢量波像差理论为基础,对卡塞格林光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调的卡塞格林系统不会引入新的像差,只是会导致三阶像差在像面上的分布发生变化,球差在全视场内为常量,彗差零点不再位于视场中心,像散在视场内存在两个零点且不再关于中心视场对称。在校正失调产生轴上彗差的情况下,卡塞格林系统的一个像散零点位于轴上视场,轴上视场的像差接近于零,但是边缘视场的像散依然较大,因此在卡塞格林系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差来确定系统的装调状态。利用CODE V 对失调卡塞格林系统的像差在视场上的分布进行仿真,结果表明利用矢量波像差理论可以对失调卡塞格林系统的像差进行定性分析,以提高卡塞格林系统的装调效率。     

离轴三反望远镜主镜和三镜面形误差补偿机理

为保证大口径离轴三反消像散(Three-Mirror Anastigmat,TMA)光学系统在轨成像质量,探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理,以矢量像差理论为基础,用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差,并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现,位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散;提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式,以系统出瞳波像差RMS值为评价标准,构建离轴TMA系统像差补偿模型,利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时,所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ;系统三镜存在0.05λ像散与彗差时,可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ,且当三镜面形误差在(-0.03λ,0.03λ)范围内时,可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值,使系统成像质量满足要求,为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。     

空间光通信中发射天线像差对激光传输的影响

空间光通信中发射天线像差会引起远场轴上光强下降.首先分析了无像差的理想发射天线,假设发射光束为高斯光束,在给定发射功率、天线直径时,天线直径与高斯光束直径的最佳比值为1.12,此时远场轴上光强最大.在此基础上分析了像差对远场轴上光强的影响,通过倾斜及离焦补偿,并减小发射光束直径可降低像差的影响.在最优条件下,1/4波长的球差、彗差及像散引起的远场轴上光强的附加损失分别为0.06 dB,0.13 dB及0.31 dB.最后分析了单透镜的像差特性,对于较大直径的发射天线,像差引起的远场轴上光强下降可达10 dB以上.

Abstract：

Aberration of transmitting antenna will decrease the far-field on-axis intensity in space optical communication systems. Aberration-free antenna system is analyzed. By assuming transmitting beam to be Gaussian distribution, and under given optical power and diameter of transmitting antenna, it is proved that the far-field on-axis intensity reaches its maximum when the ratio of the antenna diameter to the Gaussian beam diameter is 1.12. Compared to this maximum intensity, the far-field on-axis intensity loss induced by aberration of transmitting antenna is analyzed. This loss can be reduced by using tilt or defocus adjustment, and decreasing the diameter of transmitted Gaussian beam can also increasing the far-field on-axis intensity. Under optimal conditions, the losses caused by quarter wavelength spherical aberration, coma and astigmatism are 0.06 dB, 0.13 dB and 0.31 dB respectively. Finally, the aberration characteristics of a single lens are analyzed. The decrease of on-axis intensity caused by aberration can reach 10 dB or more for transmitting antenna with a lager diameter.     

带像差补偿的光盘像散自动调焦透镜设计

对光盘光学头检测光路中广泛使用的光学平板所引入的光学像差进行分析计算,并由 此设计了一种放置于光盘光学头检测光路中的用以产生聚焦误差信号的像散透镜。它不但可以产生正常的调焦误差信号,同时还可以补偿由斜放入检测光路中的光学平板所带来的光学像差。经过实际应用,证明这种结构完全能够满足高密度光盘光学头的技术要求。     

离轴反射光学系统像差特性研究

以轴对称光学系统的初级矢量波像差理论为基础,通过引入孔径缩放因子和孔径偏移矢量,获得了离轴反射光学系统初级像差特性。通过分析可知:离轴反射光学系统的初级像差依然由球差、彗差、像散组成。由于孔径缩放因子存在,离轴反射光学系统的波像差系数均有不同比例的减小,且轴对称光学系统的高级孔径像差会在对应离轴光学系统中引入较低阶孔径像差,例如轴对称光学系统未校正球差,对应的离轴光学系统除过球差外还将引入彗差、像散等。相比于轴对称光学系统的像差,由于孔径偏移矢量的引入,离轴反射光学系统的像差不再关于中心视场旋转对称,有可能在轴外视场产生像差零点。     

基于dOTF的大口径透射光学元件检测技术

为了保证在重力变化下大口径巡天望远镜透镜组的成像质量,需要研究一种可以适用于大口径透镜组的波前检测方法,用于实现系统装调检测。首先,基于差分光学传递函数（differential optical transfer function,dOTF）建立了一套波前对准检测技术,在此基础上,分析了运算过程中相位解缠,CCD探测噪声以及大气扰动对检测算法造成的误差影响,结果表明检测误差分别小于10%、1%和2.5%,经过叠加可得整体的测量精度约为10.3%,满足一般大口径大视场检测系统设计指标。最后针对80 mm的透射式系统进行验证,由实验结果得到波前检测主要成分为彗差,与理论分析结果一致,符合几何光学预测结果。