离轴三反射镜光学系统研究

离轴三反镜光学系统具有高分辨率、大视场、质量轻、小体积等优点,能够满足空间对地遥感、红外系统多波段探测以及空间探测系统等的要求,使其光学系统具备高分辨率、小型化、轻量化等特点,成为研究的热点.以离轴三反射镜光学系统设计方法为基础,重点分析并讨论了三反射镜系统初始结构参量的确定方法.主要对传统的初始结构参量确定方法进行了分析,讨论了三种不同结构类型情况下系统各几何参量的求解范围,有利于系统根据实际需要合理选择结构参量.比较了两种初始结构设计方法的优缺点,指出了各自的适用情况.最后依据理论研究进行了实例设计,从像质的评定结果可以看出,系统成像质量接近衍射极限.     

离轴三反式多光谱相机的装调

离轴三反系统的装调是遥感相机研制中的一项难点.针对离轴三反式多光谱相机,利用多种仪器与计算机辅助装调软件相结合,对系统进行了装调.最终检测结果表明,相机各谱段实验室静态传函MTF＞0.24 (Nyquist频率处),满足指标要求.     

偏视场用三反系统消杂光设计及仿真

分析了偏视场用三反系统的杂散光特性,根据遮光罩设计的基本原则,介绍了利用计算机仿真技术进行消杂散光设计和评价的原理.系统为特殊的矩形视场,且在y方向视场偏轴,为此,设计了盒形外壁与锥形内壁相结合的外遮光罩结构,并在CAD中进行建模,采用内部挡光片为方形并且梯度排列的结构.在λ＝0.25μm,方位角为0°和90°时分别对...     

双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计

提出了一种双通道共用一个主光学的推帚式高光谱成像仪光学系统,该系统由离轴三反射主光学系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外光谱仪后光学和短波红外光谱仪后光学组成,设计中采用双通道共用离轴三反射主光学系统,不仅满足了成像仪大视场、宽谱段的要求,而且提高了系统的光学效率,使系统结构更加紧凑,双通道光谱仪均采用棱镜-全息透射光栅-棱镜分光组件分光,实现了宽光谱分光,提高了衍射效率,系统实现光谱范围覆盖450～2500 nm,全视场达23.9°。     

计算机辅助装调的代理模型方法

用代理模型实现了一个新的失调量求解方法,可在较大失调范围内进行更为准确的求解。首先分析了基于灵敏度矩阵方法求解失调量的原理和局限性,提出了使用代理模型求解失调量的设想。在代理模型方法中,设定光学元件各个自由度对应的失调范围,对各自由度失调量进行大量的蒙特卡洛仿真得到充足的样本模型。然后从样本模型中提取失调量和残余像差数据,其中残余像差数据用Zernike 系数表示。对比三种不同的代理模型,选择用人工神经网络表示失调量与残余像差之间的非线性映射关系或统计关系。最后用一个离轴三反射系统模拟装调的例子,说明了如何建立代理模型,并根据当前系统的状态进行调整,表明了使用代理模型进行辅助装调的实用性和可靠性。     

空间相机消杂光设计及仿真

空间相机中的杂光会引起像质的模糊和对比度的下降。在对像质要求较高,或被探测的光能量本身就很微弱的场合,必须对杂散光进行消除。本文研究的空间相机基于同轴三反系统,消杂光机构主要由内外镜筒、视场光阑、里奥光阑和挡光板组成。在内外镜筒的设计中参考了卡塞格林系统的设计方法并利用CAD建模进行辅助设计。为了对消杂光效果进行评价,介绍了基于计算机随机光线Mento-Carlo仿真方法。解释了对表面的散射特性进行描述的双向散射模型、关键面的选取和模型的建立。利用计算机分析得到了空间相机的杂光系数和点源透射比的曲线,子午方向+10°入射杂光在像面造成的杂光系数在0.35％以下,0°~20°范围非成像视场点源透射比在10-6量级,该结果可做为进一步优化设计的参考依据。     

空间三反相机调焦范围的确定

为了提高空间相机对温度的适应能力,改善相机成像质量,研究了如何通过调焦放宽相机的热控指标,降低相机热控难度的问题.推导出了纯反射离轴三反光学系统中后截距及相机受温度影响下焦面离焦的数学公式;分析证明了相机离焦量与温度变化是线性关系,并计算得到了常数项K值.计算显示,当反射镜材料的线胀系数与相机支撑框架材料线胀系数一致时,焦面不产生离焦;而两种材料线胀系数差距越大,离焦量就越大.利用离焦传递函数公式证明了当相机温度水平变化超过±1℃时(对应离焦量0.05 mm),就必须采用机械调焦的方法对其加以补偿;利用光机热集成仿真的方法,得出保证相机成像质量的温度范围At,完成了从光学指标到温度指标的转换.利用离焦公式,得出了相机的调焦范围.最后,在热真空环境下试验验证了上述焦面离焦的数学公式及相机温度水平变化±4℃时离焦量为±0.184mm是相机合适的调焦范围.     

衍射望远镜光学系统设计

当前对空间望远镜光学系统的要求是：在宽光谱范围内,系统具有分辨率高、质量轻等特点,衍射望远镜可以满足上述要求。利用Schupmann提出的消色差理论可实现系统宽光谱覆盖,采用平面衍射透镜做物镜可使系统轻量化,降低了成本。设计了一个物镜口径为1 000 mm,f/# =100,用离轴三反射镜做目镜的衍射望远镜。设计结果表明：系统在0.65~0.75 ?滋m波段,0.02°×0.035° 视场范围内,得到了消色差,接近衍射极限的成像质量。     

离轴三反光学系统中反射膜的研制

离轴三反光学系统由于具有工作波段宽,像质优良且杂散光易于控制等优势,因而被广泛用作光谱成像系统的设计方案。文中采用Code V软件,对光学系统进行了设计,基于光的偏振理论,推导出薄膜样品和系统的偏振保真度与相位差之间的换算关系,选择铝材料作为基底材料,银(Ag)、三氧化二铝(Al₂O₃)和二氧化钛(TiO₂)为镀膜材料。根据光学薄膜基础理论,设计出光线38.5°入射,在1 545~1 555 nm处R_S>99.96%,R_P>99.8%,P光和S光相位延迟小于1°的反射膜。结合膜系设计软件进行膜系设计和模拟分析,在德国莱宝光学公司设计生产的高性能光学镀膜机上完成了离轴三反光学系统中铝合金表面反射膜的制备。采用Lamda1050光谱仪对镀膜样品的S光、P光反射光谱和相位进行测试,测试结果满足设计要求。该研究具有重要的实际意义和工程价值。     

宽视场航天相机像面测量技术

宽视场高质量的航天相机是未来有效载荷的发展方向,基于宽视场航天相机的装调需求,提出了一种干涉测量与几何量测量相结合的像面测量方法。搭建了宽视场航天相机像面测量平台,利用激光干涉仪确定各视场的焦点位置,激光跟踪仪获取各焦点位置坐标,通过坐标换算和拟合完成像面的绘制,像面测量误差可控制在0.01 mm内。通过该方法,完成了一款离轴三反航天相机的像面绘制,系统焦距1200 mm,相对孔径1∶2.4,视场角10°×1°。测试的像面与光学设计软件ZEMAX输出的理想像面进行比对,像面形状及位置基本吻合,平面度偏差0.009 mm。测试结果表明光学系统装调到位,为探测器配准工序的完成提供了重要依据。