主三镜一体化离轴三反光学系统设计

离轴三反光学系统具有成像质量高、可实现大视场、无遮拦等优点,但其装调难度大,镜面支撑结构质量大。为解决这些问题,基于三级像差理论,研究一种主镜、三镜可集成一体化的大视场离轴三反光学系统,并以焦距为1 200 mm,F数为12,视场为101的光学系统为例进行了验证设计。结果表明:调制传递函数接近衍射极限,视场内平均波像差RMS值为/55,最大波像差RMS值为/22。设计结果显示,光学系统装调自由度由12个减少到6个,可使光机系统可得到简化,实现了主三镜一体化设计。     

离轴三反射式光学系统设计

在三反射镜光学系统的几何光学理论基础上,详细讨论了三反射式光学系统的设计方法,从初级像差理论出发推导出了三反射式系统初始结构的计算公式,并且得出了系统结构形式与其基本结构参数和焦距之间的关系。通过设计实例讨论了不同的三反射式光学系统的特点及其应用。设计了大视场、小F数且实现衍射极限成像的光学系统,且能有效抑制杂散光。     

离轴三反成像光谱仪光学系统设计

高质量的成像光谱仪光学系统必须具备大线视场、大相对口径、宽光谱成像、体积小、重量轻等优点,因此离轴全反射系统成为该领域的一个研究方向。介绍了一种基于赛德尔像差理论的大线视场、大相对口径离轴三反光学系统的设计方法。该方法通过对初级像差方程组进行约束优化,求得满足要求的初始结构参数,并在优化的过程中,不断地调整系统中各个镜子的偏心和倾斜,在保证成像质量地前提下,消除系统的遮拦。最后的设计结果表明了这种方法的有效性和可行性。     

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。     

离轴三反系统中视轴的偏转误差研究

考虑到离轴三反系统内部结构和光路的复杂性,直接分析离轴三反系统内部各反射镜的偏转误差对视轴的影响难度较大。因此,提出一种将离轴三反系统模型简化为单反射系统模型来进行分析的方法,并在该模型的基础上建立离轴三反系统视轴偏转误差的计算公式。最后,利用Zemax软件创建离轴三反系统模型,通过变动反射镜位置来模拟系统视轴的变化,并得到成像点的坐标,再将得到的像点坐标代入计算公式求解出系统视轴的转动量。通过结果对比,求解出视轴的转动量相对于仿真的最大误差不超过4%,验证了基于单反射模型建立的理论分析方法的正确性。     

用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题,编制了初始结构计算程序,采用视场离轴方式,设计了一个波段范围0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1:4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。     

结合矢量像差理论的离轴三反红外光学系统设计

多谱段、大相对口径、大视场红外光学系统具有探测精度高、噪声低、能够以凝视方式获取大场景红外图像等优点,因此成为光学系统设计的一个重要研究方向。文中介绍了此类系统的一般设计思路,提出了一种结合矢量像差理论的离轴三反红外光学系统的设计方法,该方法能够大幅度提高系统的设计效率。给出了一个设计实例,其焦距值为90 mm,F数为3.0,视场角为20°×20°,能够在中波红外和长波红外两个波段清晰成像,并且在各个视场下的MTF都能够达到或者接近衍射极限,该设计实例验证了该方法的有效性和可行性。     

离轴三反大视场空间相机像移速度场模型

大视场空间相机在轨成像期间,由于地球自转、卫星姿态机动和颤振等因素导致焦面像速场呈非线性各向异性分布。为此提出了一种新的基于刚体运动学的像移速度场建模方法,考虑离轴角参数,推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例,分析了侧摆成像时同速与异速像移速度匹配模式对相机成像质量的影响。分析结果表明:以传函下降5%为约束,侧摆15成像时,当积分级数大于10级时应采用异速匹配模式,积分级数为32级时,异速匹配相比于同速匹配使焦面动态MTF从0.340 8提高到0.970 2。当积分级数确定为16级时,侧摆角在12.3以内时可采用同速匹配模式。在轨成像结果证明了像移速度场模型的准确性,可为大视场空间相机像移补偿提供可靠依据。     

离轴椭球面的反射式补偿检验

使用要求离轴椭球镜的面形PV(峰谷)值优于0.4λ(λ=351 nm)。根据三级像差理论球差表达式和补偿检验原理,得出检测光路中球面补偿镜的半径表达式。由已知数据求解补偿光路的初始结构参数,并带入软件中得到优化后的设计结果,优化后的结果和初始结构参数没有变化,说明补偿光路的求解方法是正确的。考虑到元件的加工误差和检测光路的调试误差,将误差带入检测光路进行模拟分析后,得出被检元件的面形精度:取98%的合格概率时,椭球镜的面形PV为0.379λ(λ=351 nm),能够满足使用要求,说明离轴椭球面的反射式补偿检验法是可行的。     

离轴三反射式光学系统的设计

详细讨论了三反射式光学系统的设计方法,从初级像差理论出发推导出了三反射式系统初始结构的计算公式,并且得出了系统结构形式与其基本结构参数和焦距之间的关系.通过设计实例讨论了不同的三反射式光学系统的特点及其应用.设计了大视场、小F数且实现衍射极限成像的Cook-TMA光学系统和有利于杂散光抑制、小F数且实现衍射极限成像的Rug-TMA光学系统.     

成像光谱仪离轴三反望远系统的光学设计

视场宽、结构紧凑、体积小、质量轻是空间光学成像系统设计研究的热点.在共轴三反镜系统的几何光学成像理论基础上.从离轴三反望远系统的方案选择、初始结构计算、三级像差的校正及光学系统的优化4个方面,研究了成像光谱仪用宽视场、大相对孔径离轴三反消像散望远系统的设计问题,设计出一个光谱范围1.0～2.5μm、焦距f'=300 mm、相对孔径厂f'/4、视场角6.8°×0.1°的离轴三反望远系统,系统非球面最高次数为4次,总长约为f'/2,对于空间频率30 lp/mm处,调制传递函数值均大于0.8.     

望远镜次镜钢索支撑结构动力学分析

为了增加大口径望远镜次镜支撑结构第一阶固有频率,采用施加有预紧力的八根钢索取代原有的四翼梁结构。文中首先根据Euler-Bernoulli梁理论将此次镜支撑结构简化为一个由质量点和梁组成的简化模型并使用变分法得出系统固有频率表达式以及系统第一阶固有频率;然后以1.23 m望远镜为例,计算得出预紧力为20 000 N时系统第一阶固有频率为18.9 Hz与有限元仿真软件ANSYS得出的17.8 Hz相比误差为6%,证明了简化的可行性与理论的正确性。最后通过分析次镜室质量不变的情况下,不同主镜口径下预紧力与次镜支撑结构第一阶模态的关系,得出对于1.23 m望远镜,施加70 000 N的预紧力即可以使一阶模态达到34 Hz,对于2 m、4 m口径的望远镜,通过调节预紧力,可以将一阶频率控制在20 Hz以上的结论。文中的方法可以用于类似结构的动力学特性计算;同时这种结构具有较高的抗扭转刚度,并能够有效减轻次镜支撑结构的重量,对于大口径光学系统的设计有很好的指导意义。     

大口径望远镜主镜支撑结构研究

主镜是望远镜系统的重要组成部分之一.随着其口径的不断增大,望远镜的重量也随之加大,自重、热变形等问题将对主镜镜面的面形精度产生一定的影响.因此,在保证系统精度的同时,要尽可能的减少结构重量,所以在设计阶段就要根据光学系统的技术要求及影响因素对主反射镜的支撑方案进行综合考虑和全面分析,使其结构设计更为合理.根据大口径望远镜系统主镜结构设计的要求,利用结构分析软件,建立结构分析模型,来确定主镜支撑方案.详细分析了大口径望远镜主镜支撑的各方面技术.     

极轴式望远镜主镜支撑设计

极轴式望远镜主镜的面形精度受极轴和赤纬轴复合运动的影响,针对其复杂的运动方式,以Ф700 mm主镜为例,设计了一套满足其各种工况要求的轴向及径向支撑结构.运用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran对其在水平和竖直放置的极限工况进行了分析,计算出主镜水平状态下的镜面变形误差PV值为19.33 nm,RMS值为...     

国外大型地基望远镜主镜支撑综述

对于大型地基望远镜来说,主镜支撑是关键技术之一,主镜支撑效果直接影响望远镜的观测能力,文章详细介绍了目前国际上具有代表性的一些望远镜主镜的底支撑和侧支撑方法和结构等,总结了主镜支撑的几个原则,期望对我们从事大口径望远镜的研制提供一些借鉴意义。     

星载激光雷达望远镜主镜光机分析与优化

针对研制和集成完的直径为1 m的激光雷达望远镜,介绍了望远镜主镜系统的结构设计,并分析了主镜二级背板安装点匹配失调及主镜挠性支撑脚作用对主镜面形的影响。通过建立主镜系统的有限元模型开展光机分析,并对分析结果进行了处理,使其能够与集成装校时的干涉测量波前图进行直接对比,得出二级背板与光学基板安装点匹配失调是导致主镜形变过大的主要原因。针对此问题对望远镜主镜系统结构进行了改进,通过有限元光机结构分析,预计优化后的结构能够有效地减小匹配失调导致的主镜形变,将使主镜均方根形变量从0.3降至0.097（=632.8 nm）,满足激光雷达要求的0.15面形要求。     

大口径望远镜主镜保护盖设计

针对某米级光学望远镜设计了四门对开花瓣式主镜保护盖。简要介绍了国内外已建成大口径望远镜主镜保护盖的主要结构形式,利用铰链四杆机构的演化偏置曲柄滑块机构为基体进行优化设计,得出一种不需曲柄存在的四杆机构,建立运动学模型,对其受力状态进行分析,计算了电机所需的驱动力矩、滑块的移动位移及镜盖开关时间。实际工程应用表明,该保护盖对主镜能够有效防尘及保护,单次打开或关闭时间约为62.5 s,在长春地区无故障使用时间大于一年,免维护开关次数大于500次。满足系统设计要求,为后续研究者提供了设计参考。     

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）。