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。     

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。     

近红外镜头系统的设计与装调

为了使1.23 m 望远镜具有大视场捕获功能,进行了口径为200 mm 的近红外镜头的设计与装调工作。首先,通过光学原理确定同轴反射式光学系统。其次,通过有限元分析方法对比桁架式与圆筒式主支撑结构、三翼梁与四翼梁式次镜支撑结构在不同工况下的变形,确定桁架式三翼梁支撑结构。最后通过设计适当的次镜装调结构和选用适当的CCD 电控平移台,对系统进行装调。装调后对系统进行检测实验,检测得到系统波前误差RMS=0.106 18,PV=0.553 62（=632 nm）。检测结果表明该近红外镜头足够满足光学设计要求及成像要求。     

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。     

三镜反射式光学系统综述（特邀）

三镜反射式光学系统由于具备同时校正球差、彗差与像散三种像差的能力,可以实现较高的光学性能,基于其反射镜数量少、装调复杂性可接受等特点,在光学成像领域有着广泛的应用。特别是离轴三镜反射式光学系统,凭借其无孔径遮拦、可实现大视场等诸多优势,在高性能光学仪器装备中占据着重要位置。文中以典型的三镜反射式光学系统发展为主线,全面介绍了多种类型的三镜反射式光学系统,涵盖同轴三反系统、两轴三反系统、离轴三反系统与无焦三反系统,讨论了其光学结构特点、结构关联与光学系统性能,并给出了设计示例,供光学设计领域研究人员共同探讨。     

大口径望远系统中主次镜系统的装调方法

为了实现大口径望远系统中主次镜系统的装调,并提高光学成像质量,采用了一种调整主次镜相对位置的新方法高精度光学定心法。该方法不同于传统的修切垫圈调整法,可同时消除主次镜系统中因次镜相对主镜的倾斜引起的像散及因次镜偏心引起的彗差,不仅大大降低了装调难度,而且消除了系统的不稳定性。另外,通过干涉自准检验和十字丝代替光轴相结合的办法,建立了一套新的主次镜系统的检验方案。通过对主镜口径为Φ520mm的R-C系统的实际装调和检验表明,组合前后主、次镜两组件的面形波像差均方根值(RMS)均小于等于0.03λ(λ=632.8nm),主次镜光轴角晃动量分别为0.72″、2″,两个镜子的光轴与其各自镜框端面的垂直度均小于等于0.005mm,主次镜系统同心度小于等于0.01mm,满足系统面形波像差均方根值小于等于0.07λ的设计要求。     

星载激光测距仪扩束系统的高精度装调

星载激光测距仪扩束系统为无焦系统,对光学装调有着苛刻的要求,装调精度是决定激光测距仪工作能力的关键因素。利用计算机辅助装调技术,确定光学系统对光学元件的敏感度和补偿调整参量。针对镜间距影响该系统性能参数的特点,提出采用高精度三坐标测量技术和双光路定心技术对扩束系统装调。最后,采用 1 064 nm干涉仪对光学系统像质进行测试,使用套孔法对束散角进行测量。测试结果表明:该星载激光测距仪扩束系统RMS优于0.225,束散角为0.41 mrad,满足设计要求。     

轻小型长波红外光学系统的设计及实现

无人机载光电吊舱对其载荷体积重量的要求苛刻,为了满足8～12.5 μm红外探测需求,设计并实现了一种轻巧紧凑的长波红外光学系统。系统F数为2,口径为150 mm,总视场为2.34°。光学系统采用二次成像折反射式结构,将常用的卡式主系统简化为折叠牛顿式主系统,将球面次镜简化为平面镜折叠光路,轴外像差通过非球面校正镜组校正。主系统采用全铝光机结构,结合后光路的光机材料匹配,在工作环境温度范围内,光学设计传函高于0.41@17 lp/mm,具有100%冷屏效率,而体积仅为Φ152 mm×125 mm。整机装调后,全视场传函高于0.24@17 lp/mm,像质清晰,满足预期。光学系统设计巧妙、结构轻小紧凑、加工装调成本低。设计思路和研制方法可为类似应用的无人机载光电吊舱长波红外仪器的光学系统提供参考。     

周视扫描成像红外双波段光学系统设计

介绍了一种周视扫描双波段红外光学系统,该系统利用K镜消除像旋转,能对中波3～5μm、长波8～10μm光谱进行双波段成像,且同时具有较大的扫描视场和较宽的光学口径.系统结构简单,装调方便,成像质量优良.     

成像物镜集成公差分配与定心装调技术研究

针对高分辨率对准成像镜头对装配误差的严苛要求,提出了一种成像物镜装配公差分配和定心装调技术以满足光学系统集成要求。以分辨率为2μm的成像物镜为例,分析了影响光学镜头成像质量的误差来源,进行了公差仿真分析和加工公差分配。集成测试过程中以中心偏差测量仪为辅助工具,进行了镜组光轴精确校准,其光轴偏心小于20μm,光轴倾斜小于144″。最后将集成结果数据代入光学仿真软件进行像质分析并实测图像结果进行对比分析。结果表明：运用该方法,各镜片间的光轴偏心误差和倾斜误差能够匹配公差分配要求,成像效果满足镜头像质需求。     

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。     

基于多视场波前传感的次镜位置误差检测方法

大口径分块式主镜空间对地遥感系统在轨工作时,次镜相对于主镜的位置失调会对系统像质产生影响,需对其进行在轨检测与校正。当分块式主镜无中心基准镜时,无法用传统的灵敏度矩阵反演法计算出次镜失调量。为此,提出了一种基于多视场波前传感信息计算次镜位置失调量的方法,采用ZEMAX软件建立了无中心基准的36分块式主镜空间对地遥感系统。针对该系统像差特点,利用不同视场的场依赖波前像差,建立了次镜失调量检测数学模型,开展了仿真研究,结果表明当波前传感误差为1/40（=632.8 nm）时,次镜位置失调量的检测精度X、Y方向平移约为30 nm,倾斜约为15;失调量检测动态范围X、Y方向平移为0~1.5 mm,倾斜为0~0.03。并通过多组实际仿真,验证了所提方法的可行性。     

哈特曼原理子口径斜率扫描检测及误差研究

提出了一种基于哈特曼原理子口径斜率扫描再重构波面的检测方式,研究了一种解决大口径光学系统不同俯仰角下的像质评价的方法。该方法无需同等口径标准镜,通过扫描方式获取波面信息。采用光学软件与数学分析软件通过DDE接口连接进行计算机联合仿真的方式进行探究,仿真光学系统采用主镜720 mm,次镜100 mm的卡塞-格林系统来验证该方法的可行性,利用随机误差注入及多次扫描平均的方法进行了该检测方式中重构波面精度的研究;系统探究了光斑中心提取误差、子口径定位误差、子口径倾斜误差对于该检测方法重构波面精度的影响。给出了该方法仿真结果与光学软件仿真结果的对比,并获取了误差注入时各误差与重构波面精度的物理模型。     

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。     

方形孔径自由曲面反射式系统装调技术研究

针对方形孔径自由曲面反射系统,构造方形域上正交多项式用于波前解析,得到方形孔径系统波像差系数。在计算机辅助装调阶段,为确保装调结果准确,用方形域上正交多项式和光学设计软件来建立系统的灵敏度矩阵,结合自准直干涉法得到的多个视场得波像差来求解系统失调量;在多次迭代后得到系统平均RMS为0.164 1(632.8 nm)实测系统平均传递函数达到0.453 4的理想结果;证明该装调方法正确性,并适用于其他形状孔径自由曲面离轴反射系统式系统装调。     

基于像差共轭组合模型的自适应光学系统控制方法

在单位圆的同心孔径圆域内,某些特定Zernike模式具有相关关系,其中具有较强负相关关系的模式组合在一定系数条件下叠加后,一定的同心孔径内的像差会相互抵消,波面变得更加平坦,这称为模式间的共轭性。文中设置了一组畸变波前,用自适应光学系统进行校正得到残差,然后用Zernike多项式对变形镜的校正残差进行了分解,通过分析首次发现在均方误差值较大的残差波前中,低阶、高阶两部分像差间存在着明显的负相关关系,两部分像差的系数会随着变形镜控制信号的调整体现出有规律的变化,并且在一定的系数组合方式下,这两部分像差呈现出共轭性。基于以上研究结果,提出一种控制方法,该方法通过优化变形镜控制电压来调整镜面面型,使得残差中的低阶、高阶两部分像差系数实现最佳匹配,从而降低光瞳同心孔径圆域内的像差均方根值 (RMS),最终实现该孔径范围内系统成像质量的提升。分别针对点目标成像和扩展目标成像进行了仿真,结果表明:该方法相比于传统闭环共轭式校正方法,在面对复杂像差时能够得到质量更好的光学成像,有效扩展传统自适应光学系统的适用范围。这种控制方法在变形镜有较大拟合残差的场合具有很好的应用前景。     

620mm薄镜面主动光学望远镜校正实验

对620mm 口径薄镜面主动光学望远镜进行了主镜面形校正和系统波像差校正实验。主镜支撑结构由轴向36 个主动支撑点和侧向6 个被动支撑点组成, 其中轴向33 个支撑点用于主动校正,3 个作为虚拟硬点用于控制主镜空间位置;利用研制的Shack-Hartmann（S-H）传感器作为检测设备,采用最小二乘法计算校正力。实验中在对系统校正能力测试的基础上,选择了中低频Zernike 像差参与校正。通过将S-H 传感器固定在主镜曲率中心位置, 完成了主镜在不同俯仰角下的面形校正, 将初始状态约0.6RMS 校正到/12～/15RMS。而后通过平行光管发出的星点目标,对望远镜系统进行了波像差校正,使系统波像差从初始约0.65RMS 校正到约0.2RMS,分辨率由18 lp/mm 提高到45 lp/mm。     

腔镜倾斜扰动对正支共焦腔输出光束模式的影响

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的光束质量下降问题,分析了正支共焦腔腔镜倾斜扰动对调腔光模式的影响,采用等效透镜波导法计算了凹、凸腔镜倾斜失调状态下的调腔光模式分布、泽尼克(Zernike)像差系数。同时采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器方法对此进行了实验定量研究,用模式法进行了波前重构。得到了扰动量与泽尼克像差的定量关系。结果表明,凹镜倾斜扰动对腔模的影响大于凸镜,对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与腔外泽尼克倾斜系数具有良好的线性关系,若对凹、凸腔镜分别施加等量倾斜扰动,带来的腔外泽尼克倾斜系数比率约为光腔放大倍率。且腔模倾斜像差增加的同时还将导致离焦、像散等高阶像差的增大,因此作腔内相位补偿或校正时,应使补偿或校正平面尽可能靠近凹面镜;最后对实际激光束与He-Ne调腔光束的异同作了简要比较。     

随机并行梯度下降算法用于次镜校准的仿真研究

将随机并行梯度下降(SPGD)算法应用于共轴三镜系统次镜,无需进行误差测量,可直接通过调节次镜的6个自由度,寻求评价函数的最优值,从而简化了次镜的校准。分析了影响随机并行梯度下降算法校正速度的主要因素,并对其进行优化。仿真计算结果表明,在各参量选取合适的情况下,系统峰谷值及均方根显著改善,从而验证了SPGD算法用于校准次镜的可能性。     

基于多GPU的液晶自适应光学波前处理器

为了满足4 m天文望远镜液晶自适应光学系统的波前处理要求,研究了基于多GPU的波前处理器。介绍了液晶自适应光学波前处理方法。分析了用于匹配4 m望远镜的哈特曼探测器数目、Zernike模式数和液晶校正器驱动单元数。详细论述了多GPU下波前处理方法,包括:单GPU下计算斜率;按列分块法拟合Zernike系数;Zernike对称性算法和按行分块法计算液晶校正器灰度图。最后,分析了匹配4 m望远镜的液晶自适应光学系统的残余误差传递函数,并由此模拟了残余误差传递函数的幅频响应。实验结果表明,斜率计算延迟18 μs,Zernike系数拟合延迟39 μs,校正器灰度图计算延迟114 μs。多GPU下总的波前处理延迟171 μs,小于哈特曼探测器采样时间500 μs,液晶自适应光学系统-3 dB残余误差抑制带宽可达53 Hz。满足4 m天文望远镜的应用要求。