双视场航空相机光机优化设计

依据某航空相机光学设计指标设计了焦距为100 mm、400 mm的双视场相机,其长焦距全视场传递函数达0.3以上。为减小相机重量,提高其动态刚度,以相机主支撑结构的厚度和筋宽为设计变量,以固有频率不低于某值为约束条件,应用NX7.5软件对航空相机结构进行了优化设计。优化结果为相机质量减小了0.7 kg,一阶固有频率提高了13 Hz。对优化后的相机结构进行了模态分析和热分析,分析结果验证了优化设计的正确性。最后通过试验验证了设计结果的有效性。航空相机切实可行的光机设计有效地保证了整个系统的性能指标都能满足使用要求。     

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。     

大口径SiC轻量化反射镜组件的结构设计

针对某空间相机1.1 m口径反射镜的光机结构设计任务,为降低反射镜的重量,提高其环境适应性,设计了一种重力变形小、抗振性强、热尺寸稳定性高的空间反射镜结构系统。首先,详细分析了反射镜及支撑结构选材依据及应考虑的主要因素。然后,提出一种背部半封闭式扇形轻量化孔的反射镜轻量化结构方案,并利用参数化建模分析的方法对其结构参数进行了优化设计。采用背部三点柔性支撑方式对反射镜进行支撑,通过柔性铰链的柔性来调节由于装配中的过定位和热环境变化导致的反射镜面形精度降低问题。最后,对反射镜组件的力学和热特性分析结果表明,反射镜在X向1 g重力作用下反射镜面形精度PV为62.4 nm,RMS为5.7 nm,在20±4℃环境温度变化范围内面形精度达到PV为61.7 nm,RMS为6.3 nm,反射镜组件基频为150 Hz,能够满足静态刚度、动态刚度和热尺寸稳定性的设计指标要求。     

空间遥感器主反射镜在宽温度范围内的环境适应性设计

主反射镜的面形精度对空间相机的成像质量至关重要。为保证 空间相机在宽温度范围(20±10℃)内的成像质量,设计了一种柔性支撑结构。首先,选择碳化硅(SiC) 作为反射镜材料,并对主反射镜镜体进行了背部半封闭式轻量化处理。其次,针对这个孔径为550 mm的圆 形主镜组件在20±10℃温度范围内的使用环境,设计了一种柔性铰链结构。利用Matlab软件优化了支撑结构参 数,使得支撑柔性结构在受到温度载荷时沿着径向具有足够的柔性,并可吸收变形和降低反射镜应 力。通过有限元分析可以看出,该支撑结构的一阶频率达到267 Hz,远高于机身组件的固有频率,因此可保 证主镜组件不遭到破坏。而且在重力耦合10℃温度载荷时,反射镜的面形误差(RMS值)也满足光学 系统优于λ/40的要求。     

空间相机反射镜SiC/Al 支撑板轻量化结构优化设计

在保证空间光学遥感相机反射镜组件结构刚度、位置精度、面形精度的同时,最大限度地降低反射镜支撑板的质量,是轻量化设计的一个重要内容。提出了通过拓扑优化确定反射镜用SiC/Al 材料的背部支撑板轻量化形式的方案。采用有限元分析法对获得的优化结果进行分析。分析结果表明: 重力载荷下面形精度达到/10 PV,/50 RMS（=632.8 nm）,PV 值13.3 nm,RMS 值2.9 nm,反射镜组件一阶固有频率239 Hz,均优于传统结构形式的反射镜。拓扑优化的方法获得的轻量化背部支撑板能够满足使用要求。     

大口径半环形高次非球面检测与轻量化分析

为了实现对大口径高次非球面镜的面形精度检测，本文针对一个内径572 mm、外径800 mm的半环形凹高次非球面反射镜，进行补偿检测系统设计和轻量化分析。基于三级像差理论，采用双透镜与单反射面的结构对非球面反射镜进行补偿检测，得到均方根(RMS)值为0.0037λ(λ=632.8 nm)的补偿检测系统。采用三角形孔对高次非球面镜进行轻量化，轻量化后镜体质量小于30 kg，轻量化率为32.7%。结合机械支撑结构，对高次非球面镜与支撑结构在自身重力作用下进行有限元分析。当光轴与重力方向平行时，RMS值为0.012λ。当光轴与重力方向垂直时，RMS值为0.013λ，镜体所受最大应力为1.308×10⁵ Pa，机械支撑结构所受最大应力为1.381×10⁵ Pa，非球面镜和支撑结构所受应力都小于各自材料的极限应力。     

大口径空间反射镜组件结构设计与分析

设计了某1.2 m口径的空间光学反射镜结构及其支撑结构系统。首先,合理选取了反射镜及其支撑结构的材料。从反射镜镜坯制作工艺、力学特性、热特性以及反射镜重量等因素考虑,最终选取基于反应烧结SiC材料的背部半开放式扇形轻量化孔的反射镜结构形式,反射镜设计重量为87.6 kg,轻量化率达到79%。其次,确定了在光轴水平状态下进行检测装调的方案,并进行其支撑结构的设计,采用3个双轴柔性铰链从背部对反射镜支撑,使大口径反射镜同时满足静态刚度、动态刚度、强度和热尺寸稳定性的要求。最后,对反射镜进行了组件级有限元分析。结果表明,反射镜在X向重力和4℃均匀温升作用下面形RMS分别为7.8 nm和9.4 nm,反射镜组件一阶固有频率为153 Hz,满足设计指标要求。     

小型反射镜中心支撑技术

所述空间遥感器反射镜的工作温度为18±15℃,要求反射镜在此复杂工况条件下满足设计要求.介绍了反射镜材料和支撑结构材料的选择;对反射镜的支撑方式、轻量化等方面进行了分析讨论;根据反射镜柔性支撑结构的设计原理,采用CAD/CAE工程软件进行了分析及优化,通过有限元法优化设计了一种反射镜中心支撑的柔性结构,在此温度变化范围内,反射镜面形误差变化量PV值小于λ/10、RMS值小于λ/40(A=632.8nm).最后,通过力学环境实验测试反射镜面形变化量和反射镜组件模拟件的动态特性,证明该结构满足设计要求.     

中心支撑长条形反射镜轻型优化设计

针对轻小卫星相机质量更轻、性能更好的设计要求,对空间某中等口径的长条形反射镜提出一种基于中心支撑形式的轻型优化设计方法。选用背部中心单点支撑形式,不仅从整体上减小了反射镜及其组件的质量,而且大大简化了支撑结构的设计。采用多目标集成优化的方法,提高了反射镜在Z向重力工况下的面形精度。设计了适用于中心支撑的柔性支撑结构,克服了中心支撑刚度低、动态可靠性差的缺点。仿真分析了反射镜及其组件的综合性能,并与背部三点支撑形式进行了比较。结果表明,中心支撑的反射镜质量更轻（3.36 kg）,与实体反射镜相比,轻量化率达到了87%,组件质量也较三点支撑减小了24%;在X、Y、Z三轴方向1 g重力工况下的面形精度RMS值分别达到2.2、2.1、7.5 nm,优于三点支撑形式;4℃均匀温升载荷工况下的面形精度RMS值为2.8 nm,远小于设计要求的RMS 12 nm;反射镜组件的一阶固有频率为135 Hz,重力作用下镜面的最大刚体位移为3.96 m。该设计在极大地减小了反射镜及其组件质量的同时,保证了反射镜的面形精度和组件的动、静态刚度,满足设计要求,为同类型空间反射镜的轻型优化设计提供了一种新思路。     

一种小型化探测器固联于弹体式导引头光学系统设计

为实现探测器组件固联于弹体且导引头结构小型化,采用了由特殊棱镜与反射镜组成的光学滑环式光机结构设计。光学系统的前镜组、反射镜嵌入内框架,实现±90?扫描运动;内框架、特殊棱镜组件嵌入外框架,实现360?扫描运动,进而使光学系统具有前半球的跟踪视场。设计结果表明光学系统在-70℃~+90℃温度范围内调制传递函数接近衍射极限,成像清晰,满足光、机、热一体化设计要求。实验结果显示,研制的光学系统其焦距60 mm,视场大小为3?,在20 lp/mm处,轴上视场的调制传递函数(MTF)高于0.7。系统实现了探测器组件固联于弹体及光机系统小型化的目的。     

大视场可见红外一体化光学系统设计

使用光学设计软件设计了一种大视场可见红外一体化反射式光学系统,可见光和红外视场的大小分别为5.2和5.12。在光学系统的轨道高度为675 km的情况下,可对地面目标进行61.3 km和60.36 km的大幅宽观测。在光学系统采用偏视场设计将可见光和红外光的视场进行分离,可以实现双光路、双波段、双视场同时成像观测,避免了使用分光装置对光能量吸收造成损失,提高了光能利用率。可见光系统选用一个焦距为9 000 mm的三反系统,红外光学系统选用两个三反系统,后置三反系统的入瞳与前置三反系统的出瞳位置重合,系统总焦距为2 025 mm。经过优化,可见光系统的MTF在50 lp/mm达到0.45以上,红外系统的MTF在25 lp/mm达到0.65以上,成像质量均达到衍射极限。     

基于折/衍混合的机载红外光学系统设计

为实现机载红外光学系统大口径、长焦距、轻量化、高像质、非热敏化的技术要求,通过对反射式光学系统设计模型及其理论参数的研究分析,选取卡赛格林光学结构型式,提出一种基于折/衍混合的机载大口径长焦距非球面红外光学系统。经过初始结构计算,并利用ZEMAX软件进行优化,设计出一款焦距1200 mm、口径260 mm的折/衍混合红外光学系统,遮拦比18%,在空间频率10 lp/mm处,调制传递函数(MTF)达到0.45,接近衍射极限,全视场弥散斑控制在20μm以内,在-50^+70℃温度范围内实现非热敏化。该系统结构简单,由两个反射镜和一组透镜组成,设计结果满足各项任务指标,对机载红外光学系统的进一步研制具有重要意义。     

折/衍射双波段共光路齐焦光学系统设计

为了提高双波段光学系统成像性能,结合可见光和中波红外的特点,设计了无光路补偿的折/衍射双波段共光路齐焦光学系统。对系统的4片透镜波段间消色差以及焦距补偿表达式进行了推导,采用4片透镜并引入二元衍射面,通过合理匹配光学系统光焦度,实现了系统共用一组光路,在可见光和中波红外两个波段的焦距一致,提高了双波段观测目标信息的一致性。设计的双波段共口径/共光路成像光学系统的工作波长为0.38~0.76 m,3~5 m,系统的焦距为90 mm,视场角为0.5,F数为3,在-40~+60℃的温度范围内采用光学被动式进行消热差设计。设计结果表明:系统结构简单,体积小,成像质量接近衍射极限。     

宽光谱可见-短波红外成像光学系统设计

针对目前的红外成像光学系统在机器视觉工业检测领域难以同时实现成像质量好和结构紧凑设计的问题,提出了一种宽光谱可见-短波红外成像光学系统的设计方法。运用光学设计软件ZEMAX设计了一种适用于可见光和短波红外的红外成像光学系统。该系统由7组10片透镜组成,利用多组双胶合透镜来消色差,在第15个面使用非球面提高成像质量,最后对系统的成像质量进行研究。设计结果表明：该系统的的工作波长为0.4～1.7μm,全长为79.6 mm,F数为2.8,焦距为25.7 mm,畸变小于1.4%,调制传递函数值在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.4,接近衍射极限,成像质量良好。该系统可以对光滑表面的装配件进行缺陷检测,具有结构简单、易于加工装调的优点,有助于高效地完成机器视觉检测。     

可见光全天时遥感相机光学系统设计

由于微光遥感可在夜间和晨昏时段等低照度条件下对地物进行探测,该遥感相机利用微光遥感与传统可见光遥感进行互补,实现可见光波段全天时对地观测。考虑系统长焦距（500 mm）、大视场（5°×2°）、大相对孔径（F数为3.8）、小型化、高光学效率等各方面因素,该遥感相机最终采用离轴三反结构形式,采用双探测器共光路、分视场形式实现微光、可见光探测器同时成像。对光学系统设计和成像质量进行了详细分析,传统可见光波段各视场MTF优于0.4@200 lp/mm,微光可见光波段各视场,MTF优于0.75@77 lp/mm,MTF接近衍射极限,结果表明:根据光学载荷研制发射流程,从加工、装调、一次调焦和不调焦四个过程详细分析了系统公差,给出了公差分配结果。此外,对该光学系统的可扩展性进行了分析说明。     

大靶面中波红外连续变焦光学系统设计

开展了大靶面中波红外连续变焦光学系统设计研究,设计出了一种机械正组补偿式连续变焦光学系统。该系统的工作波段为3.7~4.8 m,焦距为50~580 mm,F数为4.5;靶面直径为24.6 mm,适用于目前新推出的像元间距为15 m 的1280×1024元制冷型中波红外焦平面探测器。在实现长焦距、高分辨率的同时,可保持光学系统具有大视场角,进而有效提高机载光电系统的目标搜索与识别能力。设计结果表明,本文系统的成像质量高,在30 1p／mm空间频率处的调制传递函数值接近0.2。     

折衍混合长波红外光学系统消热差设计

分析了温度变化对红外光学系统结构参数的影响,给出了红外光学系统消热差设计应满足的条件,讨论了衍射光学元件的温度特性,并将其引入到红外光学系统的消热差设计中.利用ZEMAX软件,设计了一套由锗和硫化锌组合的三片式折衍混合长波红外光学系统,其工作波段为8~12 m,视场为10.2,焦距为45 mm,F/#为1.5,总长为70 mm.设计结果表明,该镜头在-40~60 ℃温度范围内成像质量接近衍射极限,系统全视场调制传递函数在特征频率20 lp/mm处高于0.6, 87%的能量集中在探测器的一个像元内,实现了消热差设计.该系统具有结构紧凑、体积小、质量轻等优点,适用于军事或空间红外系统.     

基于DMD的红外场景仿真系统投影光路消热差设计

基于DMD的红外场景仿真系统投影光路是仿真系统的关键组成部分。设计了一种准直投影光学系统,利用不同材料热性能互补的无热化光学设计方法,得到系统的初始结构,将某一面设计为二元面,降低了系统像差,提高了光学传递性能,达到系统的消热差设计。投影光路采用折射式结构,工作在8～12 m长波红外波段,焦距为113 mm,半视场角为4.5,F数为1.3。利用ZEMAX软件对光学系统进行了优化,满足了仿真系统的使用要求。     

高耐温精密冷反光镜研制

高耐温精密冷反光镜是应用于影像光学系统的一种常用光学元件,它具有高耐温性、反射可见光、透射红外光的特点。本文介绍了采用低膨胀系数的高耐温性基底材料,利用电子束热蒸发物理气相沉积镀膜方法及离子辅助沉积工艺,制备出了可见光光谱平均反射率高于95%、红外光光谱平均透过率高于85%,膜层耐温性能达到450℃高温下膜层无异常的反光镜产品,并实现了批量生产。     

红外双波段共光路环形孔径超薄成像系统设计

针对中长波红外双波段系统的元件数量多、结构复杂等问题,分析了环形孔径超薄成像系统的结构特点,给出了系统初始结构遮拦比的计算方法,并设计了一种适用于中长波红外双波段的共光路环形孔径超薄成像系统,焦距为50 mm、全视场为14°、F数为1。系统仅由单一光学元件构成,结构简单且光路紧凑,其轴向尺寸与焦距的比值为0.48。在空间频率20 lp/mm处,中波红外3~5 μm波段的全视场调制传递函数大于0.45,长波红外8~10 μm波段的全视场调制传递函数大于0.30,同时实现了?40~80 ℃温度范围内的红外双波段无热化。通过公差分析可知该系统具备可加工性,且基底材料为红外硫系玻璃,可以通过精密模压的方法进行批量化生产。该研究为低成本、小型化红外双波段系统的实现提供了新的思路。