光轴一致性误差对空间透射式系统像差和质量的影响

应用于空间光学的高精度透射式系统对光学装调有着严格的要求,微小的光轴一致性误差都将严重影响系统质量。介绍了一种通过像差分析和仿真预估指导光轴一致性装调的方法。以应用于空间光学的大口径长焦距透射式镜头为例,计算光轴一致性误差的像差特性。首先给出了光学元件偏心与系统像散、彗差以及球差的关系。然后详细分析了各不同透镜像差贡献的差异,分别计算了各元件偏心和倾斜对系统像散和彗差的影响。利用波前均方根(RMS)和光学传递函数(MTF)作为评价函数,得出各个分离透镜偏心误差对不同像差和系统成像质量的影响权重。最后在实验上对该方法进行验证,光学系统装调后实测结果满足像质要求。该方法能够为实际光学装调提供必要的参考,为高精度透射式光学系统的光轴一致性误差调整提供依据。     

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。     

面形局部误差对红外光学系统像质的影响

为了说明面形局部误差对红外光学系统像质的影响,简述了影响光学系统像质的因素,详述了透镜面形局部误差要求和瑞利判据的关系,据以推论光学加工和光学装校过程均需要严格控制红外透镜的表面面形局部误差,最后通过实例验证透镜面形局部误差对光学系统像质有决定性影响的结论。     

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。     

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。     

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。     

离轴反射式光学系统的研究进展与技术探讨

离轴反射式光学系统具有大口径、宽光谱,高分辨率等特点,在空间与远程探测技术领域具有良好的应用前景。离轴反射式光学系统的复杂性加大了其设计与工程化的难度。本文在分析其特点的基础上,结合国内外的研究情况,对其设计方法、波前探测、计算机辅助装调、光学零件加工检测、轻量化等技术进行探讨。     

共轴偏光瞳折轴三反射光学系统装调方法

为了实现共轴偏光瞳折轴三反射光学系统的高精度装调,提高其光学成像质量,研究了大口径非球面反射镜的微应力装配以及光学系统共基准的调校方法。采用光学定心加工实现主、次反射镜光轴基准与相应构件机械轴基准的高同轴度;采用Zygo激光干涉仪检测波像差,指导主镜、次镜以及三镜的装配过程,保证各反射镜装配组件完成后的面形精度与裸镜一致,并最终指导完成主次镜光学系统以及三反射光学系统的像质调整。此外,由于整个光学系统是偏轴使用的,推帚方向垂直于电荷耦合器件(CCD)线阵方向,采用折轴镜旋转并修切折轴镜垫圈的方法来消除由于折轴镜倾斜而引入的系统像散。实际装配结果表明:光学系统各个视场处的成像质量均达到系统装配指标,光学系统波像差均方根(RMS)值小于0.07λ,传递函数(MTF)大于0.57。     

光轴一致性误差对空间透射式系统像差和质量的影响

红外热成像折转光学系统在复杂环境条件下,光轴容易因为光学元件的偏心或倾斜而发生漂移,影响系统对目标的指示精度。在红外热成像系统设计之初对光学系统开展光轴静态敏感度分析,能够识别出光学系统的敏感点,为满足光轴稳定性的结构优化设计提供约束条件。通过基于旋转矩阵的坐标变换,建立了光学元件旋转过程量和倾斜状态量的转换关系,从而实现了光学元件在任意方向倾斜的空间姿态模拟,确保了光轴敏感度公差分析中的蒙特卡罗采样与结构设计的约束条件相对应,并在此基础上搭建了对红外折转光学系统光轴静态敏感度分析的流程,编制了程序。用所编程序对某典型红外热成像折转光学系统进行实例分析,根据光轴稳定性的指标要求,依次对光学系统中各光学件的偏心量和倾斜量进行了光轴的灵敏度和反灵敏度分析,得出了初始公差限,再针对初始公差限数据进行了任意方向采样的蒙特卡罗分析,最终得出了各光学元件能够满足光轴稳定性指标的偏心和倾斜公差限数据,通过建立多重坐标系的方法验证了所得数据的准确性,为指导光机热优化设计奠定了基础。     

非中心对称像差系统的光束质量控制

为了突破元件加工工艺水平对多元件光学系统像质的限制,基于计算机辅助装调,研究了系统中元件装调姿态的优化过程.针对由两个元件组成的光学系统,利用相位屏方法,通过计算机的数值模拟,分析了非中心对称像差的光学元件之间波前像差的互补性.结果显示,经过元件装校姿态的优化调整,系统的光束质量由预期的4.916优化为1.187,显著地提高系统的最终光束质量.分析表明,这种方法可以推广到多元件系统的装调中,能进一步提高在传统计算机辅助装调后的系统光束质量.     

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。     

铺层角度误差对CFRP平面反射镜面形影响研究

为了解决CFRP （carbon fiber reinforced polymer）平面反射镜在加工成型后的面形存在像散像差的问题,建立相关的理论模型以对其产生机理进行解释,并设计实验对模型进行验证。首先基于经典层合板的热效应理论,考虑到CFRP平面反射镜制造过程中存在铺层角度误差及温度变化等因素,推导了相关公式以说明当对称均衡铺层CFRP反射镜存在铺层角度误差时,在热效应的影响下会产生马鞍形的变形,即会导致面形出现像散像差。设计了相关实验,制备了两组铺层角度分别为[0 90 45-45]2s和[（0 90 45-45）s]2的反射镜样片,并利用Zygo长波红外干涉仪（=10.6 m）对样片总体面形及像散像差进行检测。实验数据显示:第一组样片像散像差的RMS值平均为0.034,第二组样片像散像差的RMS值平均为0.510。证明了铺层角度误差是使反射镜产生像散像差的主要原因之一,而且像差大小会随着反射镜弯曲刚度准各向同性的提高而减小。     

扫描镜非接触式检测系统的位置误差分析

为了满足非接触式扫描镜检测系统的位置检测精度要求,分析系统各误差源对扫描镜位置检测精度的影响,制定详细的系统总体误差分配方案。分析系统的主要误差源,根据系统相关参数,利用齐次坐标转换法,建立系统引入误差量的数学模型,计算各误差源的误差传递系数;参考误差传递系数,根据加工、装调和检测水平相关数据,应用蒙特卡罗法分析计算,进行误差分配。结果表明,目前的加工、装调能力无法达到该系统的精度要求,提出了一种依据目前的检测水平进行误差分配的方法,最终应用误差补偿实现扫描镜位置检测极限误差优于2.5。采用一字线激光器作为光源,通过0.5莱卡经纬仪和千分表进行检测,达到系统要求的检测精度。     

一种含自由曲面的离轴三反光学系统设计

设计了一种含自由曲面的离轴三反射镜红外光学系统,光学系统采用三个离轴反射镜,其中第二反射镜采用自由曲面面型,其余反射镜采用非球面面型。光学系统接收口径Φ100mm,F/#25。由于反射元件不产生色差,因此光学系统不存在色差。同时反射元件与支撑结构件采用同一材料,光学系统实现无热化设计。利用自由曲面的非旋转对称性,系统轴外像差得到了很好的校正,从而使光学系统成像质量接近衍射极限。通过合理布局三个反射镜的位置,使光学系统外形尺寸达到了160mm×110mm×250mm。     

GRIN透镜对SDOCT系统中成像质量的影响分析

搭建基于光谱光学相干层析术(SDOCT,spectral domain optical coherence tomography)的内窥成像系统,分析SDOCT的理论分辨率和探测深度。根据近轴子午光线方程,利用矩阵法分析自聚焦GRIN(gradient index)透镜成像原理,设计适用于SDOCT扫描探头的GRIN透镜,聚焦距离为10mm,透镜长度为5.31mm,直径为1.8mm。通过光学传递函数(MTF)对比GRIN透镜和传统球面透镜对成像质量的影响。利用内窥成像系统对洋葱内外表皮样品进行成像,获得3.2mm×0.7mm的层析图像。实验结果表明,利用GRIN透镜聚焦光束时,SDOCT系统的横向分辨率可达8μm,成像质量得到提高。     

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。     

光路自动准直中腔镜及反射镜控制算法

激光装置光路准直系统通过多块腔镜及反射镜的角度调整,使光路的指向和位置达到物理指标要求。为提高远近场光路准直的效率,减少电机调整次数,提出一套准直算法,腔镜准直使用正圆调整算法,反射镜准直将关联系数矩阵由传统的2维改进为4维。通过准直光学实验平台,验证了该算法收敛速度快,电机调整步数更精确,移动次数更少,小于3次就满足准直精密度要求。     

温度梯度对红外光学系统成像质量的影响

利用有限元分析方法对温度梯度环境下的红外光学系统进行仿真分析,并对系统的成像质量进行了评价。利用ANSYS软件建立了某红外光学系统的有限元模型,分析了红外透镜在温度梯度作用下的镜面面形变化;用Zernike多项式拟合变化后的镜面面形数据,并将Zernike系数代入光学设计软件ZEMAX中,分析变形后光学系统的成像质量。结果表明,轴向温度梯度和径向温度梯度均会使光学元件的面形发生变化,使光学系统产生像差,导致系统的成像质量下降。在温度梯度相同时,径向温度梯度对成像质量的影响比轴向温度梯度更严重。