Zemax软件在离轴三反射镜系统计算机辅助装调中的应用

利用Zemax光学设计软件与自编计算机辅助装调软件,实现了对大口径、长焦距、无中心遮拦离轴三反射镜光学系统的装调.通过Zemax软件模拟光学系统的失调模式,得到整个光学系统的波前像差,把波前像差代入到自编的复杂光学系统计算机辅助装调软件中,计算出光学系统的失调量,与引入的失调量对比,证明了其正确性.在实际的装调过程中,用小型球面干涉仪分别收集3个视场的干涉图,得到失调光学系统的失调量,用Zemax软件验证失调量数据的正确性,从而指导装调.按此方法,在波长λ=632.8nm时,得到离轴三反射镜光学系统的全视场波像差RMS值为0.108λ.该方法也可以运用到其他光学系统中.     

高分辨率星载光学系统装调过程的偏心误差分析

针对影响光学系统成像质量的装调误差,分析了偏心误差对高分辨率光学系统成像的影响。基于一款自主设计的接近衍射极限的高分辨率星载相机光学系统,利用Zemax光学软件分析光学装调过程中偏心误差对光学传递函数的影响,得出光学系统中各个分离元件对成像质量影响的权重,为光学系统的装调方案设计和实施提供了依据,实现了该光学系统2 500万像素高分辨率成像。这种误差分析方法实现了对光学系统装调过程的有效控制,提高了光学装调的效率。     

自动验光仪中调焦光学系统的设计与研究

介绍了一种自动验光仪中调焦光学系统.通过研究自动验光仪中调焦光学系统的光学成像特性,首先建立调焦组的移动量与屈光度之间的关系,设计出系统的初始结构参数;然后在Zemax中建立相应的调焦光学模型,通过选取9个典型屈光度对结构参数进行优化;最后对优化结果进行分析与讨论.分析结果表明:所设计的调焦光学系统对-22D,-10D...     

光纤传感测量中耦合系统的设计

根据光纤传感测量中光源的选取原则,将半导体激光器作为光纤传感器的光源并选取单模光纤作为尾纤,基于光学设计软件Zemax纯非序列光学系统,设计了一种半导体激光器与单模光纤的耦合系统。通过分析半导体激光器的光束特性及半导体激光器与单模光纤的耦合模场理论,由一个球透镜和一个准直透镜构成组合透镜耦合方式,达到提高耦合效率和容忍度的目的。设计时在非序列光学系统下进行了百万次光线追迹,仿真得到所设计系统的耦合效率为78%左右,而实验测试结果为69.11%,由此对误差产生的原因进行了分析。     

基于光程变化量的反射式光学系统敏感度理论分析与降敏设计方法

光学系统的最终性能不仅取决于其理论设计结果,更重要的是取决于光学系统建造过程中对于面形加工、装调位置和系统稳定性等误差因素的控制。为了探究反射式光学系统误差敏感度的影响因素及规律,以同轴两反式光学系统作为研究对象,提出了采用失调误差引起的光程变化量作为光学系统误差敏感程度的评价标准,理论推导了由反射镜位置失调因素引起的光程变化量的数学解析表达式,通过一套标准Ritchey-Chretien系统,并应用光线追迹的方法,计算了在各项失调扰动情况下所产生的实际光程变化量,与理论推导值对比,相对误差均在1%左右,证明了光程变化量理论表达式的正确性。在光程变化量理论研究的基础上,提出并建立了基于光程变化量作为评价准则的同轴反射式光学系统降敏设计方法。以一个焦距为5 600 mm的同轴两反系统为例,通过15轮迭代优化,设计了同时满足光程变化量与波像差指标的光学系统,并通过光程变化量与波像差改变量的关系,验证了光程变化量作为敏感度评价标准的正确性和降敏设计方法的有效性。     

红外目标模拟器的光学设计

设计了一种用于红外光电系统性能测试的目标模拟器的光学系统。原理上采用一个无焦系统与后聚焦系统的组合系统,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,最终设计结果为工作波段8~12μm,焦距230.599mm,视场12°,入瞳距600mm,入瞳直径100mm。整个光学系统有9个光学透镜,最大口径229.77 mm,光学系统达到衍射极限,全视场MTF均优于0.39,80%的能量集中在23μm的弥散圆内。各项指标都满足设计要求,能很好地应用于红外光电系统的性能测试。     

基于DMD的红外仿真光学系统设计

红外仿真系统在红外成像制导系统的研制中起着重要作用,文中根据DMD特性和红外仿真的具体要求,进行了红外仿真光学系统的初始结构计算。并使用Zemax光学设计软件对光学系统进行优化,得到了满意的仿真结果,并对红外仿真的发展进行了展望。     

0.25×高分辨力视频显微镜设计

由于CMOS、CCD探测器的广泛应用,及其分辨力的提高,人们对视频显微镜的分辨力提出了更高的要求。分析了大视场视频显微镜的像差特点,并利用光学设计软件Zemax进行光学效果的模拟,给出了数值孔径0.05,光学放大倍数0.25,视场直径为31mm,分辨力200万像素光学系统的设计结果。     

1200mm望远镜开环液晶自适应光学系统设计

为验证液晶自适应光学成像技术校正大气湍流所引起的波前像差的有效性,提高光学系统的能量利用率,应用Ze-max软件设计出了与1200mm望远镜匹配的开环液晶自适应光学系统。针对开环自适应光学系统探测光路和校正光路自身的特殊要求,制定了具体的公差原则,并应用Zemax软件进行了公差分析。分析表明,设计的自适应光学系统具备较宽松的公差条件,容易加工和装调。评价了该光学系统的成像性能,结果表明,设计的自适应光学系统的MTF曲线接近衍射极限,光学传递函数的模在50lp/mm时可达到0.4,而成像CCD的极限分辨率为31lp/mm,充分地利用了CCD相机的分辨资源。该自适应光学系统与1200mm望远镜对接匹配后的组合焦距为19.9m,F数为16,PV值为0.0314λ。     

一种长工作距视频显微镜光学系统设计

视频显微镜随着CCD探测器的发展得到了广泛应用。但其工作距离受以往折射式光学系统的限制,工作距离较短,影响了其应用范围。分析了长工作距视频显微镜的像差特点,并结合其长工作距离,利用光学设计软件Zemax进行光学成像效果的仿真,给出了工作距84.5mm,数值孔径0.16,光学放大倍率5倍,物方线视场1.2mm,分辨率7.7μm的折反射式显微镜光学系统的设计结果。     

主次镜系统的计算机辅助装调

为了实现大口径望远镜系统的装调,提高其光学成像质量,研究了望远镜装调像差和计算机辅助装调技术。首先针对RC式望远镜系统,分析了装调过程中由于次镜偏心和倾斜导致系统模型产生的扰动误差。针对实际调整过程中选择零彗差点和曲率中心作为旋转中心进行调整的特点,分析了这两个旋转点的选择对系统像差和指向精度的影响。然后结合计算机辅助装调原理,研究了关于恒定彗差、线性像散与模型相关的灵敏度矩阵的特殊形式,结合波像差理论与光学软件Code V模型仿真来实现装调技术。最后,针对1 m级望远镜系统进行了安装调整。实验结果表明:装调后系统的RMS达到了0.144 5λ,大大优于装调前的1.214λ,证实了该方法具有较好的精度、抗干扰能力和实际应用价值。     

水平式两轴转台中库德光路的快速装调

为实现对水平式两轴转台中库德光路的快速高精度装调,建立了自准直平行光管与平面反射镜相组合的自准直装调和检测系统。介绍了水平式两轴转台中库德光路的组成和工作原理,根据光学自准直原理给出了库德光路的装调和检测方法;结合库德光路的特点推导出基于坐标变换的库德镜辅助装调模型,进而实现了库德光路的快速装调。最后,对装调好的库德光路进行了随经轴和纬轴转动的误差检测,得出两轴转台工作过程中库德光路的实际晃动误差。结果表明,通过装调的库德光路晃动误差仅为5.2″,满足设计指标要求的8″。该装调技术不仅适用于库德光路也可对其它的反射镜装调提供一定的借鉴和参考。     

Calibration and analysis of eccentric error of the laser rotary-scanning measurement system

A laser rotary-scanning measurement system was developed for the reverse engineering of 360° objects. The system is constructed by an optical head and a rotary indexing. The optical head is composed of a laser diode strip-light projector and dual CCD cameras. Based on the principle of structured-light triangulation, a laser line is projected onto the object upon which the distorted line is captured by dual CCD cameras from left and right simultaneously. By processing a series of line fittings from the discrete angular positions of an object, the entire 3D profile can be reconstructed. Since the actual space coordinates of the object are computed according to the geometric relationship between the coordinate of optical head system and the coordinate of the rotary indexing systems, if these two coordinate systems are not in good alignment, errors in the computed coordinates will be introduced.This paper describes the influences of the alignment and eccentricity errors of the laser rotary-scanning measurement system on the computed geometrical profile. Calibration procedures are then proposed to adjust the alignment to avoid image distortions and thus enhance the system accuracy. Experimental results show that this easy-to-use calibration procedure can significantly improve the accuracy of the system.     

卡塞格林系统计算机辅助装调技术研究

较全面地介绍了计算机辅助装调的基本原理及方法。利用Zemax针对卡塞格林系统进行了失调仿真分析,并且利用Matlab讨论分析像差与各装调参量之间的对应关系及该系统的失调特性。根据以上分析,最后确定了卡塞格林系统的装调方案。为了验证方案的可行性,在Zemax中为卡塞格林系统人为的加入不同的失调量后,按照确定的装调方案利用建立的计算机辅助装调数学模型计算出失调量的大小和方向,再根据计算结果对系统进行调整,仿真结果表明方案是可行的,对卡塞格林系统装调工作有较好指导作用。     

基于无衍射光束的水平方位角测量方法研究

利用无衍射光束、透镜组和CCD相机建立一种水平方位角测量方法,以提高水平方位角测量的精度和稳定性。给出了水平方位角测量模型的构成和测量原理,阐述了整体测头的结构设计方案。对该测量方法精度及其影响因素进行了分析,同时用Zemax模拟成像系统光路并对光路进行优化仿真。与目前工程测量中普遍采用的方法相比,该测量方法能够获得更高的测量精度和稳定性,可用于盾构机的水平方位角测量、轴系校中曲线轴系布置等工程。     

大视场平行光管光学系统的研制

一般的平行光管,其视场角大多在±1°左右,而检测战斗机仪表的平行光管,其视场角要求达到±15°,为此必须对光学系统做特殊的设计。通过理论计算和Zemax光学设计软件的优化,给出了通光口径为Φ100mm、视场角为±15°的四分离式光学系统的实例,并介绍了物镜组制造时的材料检测、物镜组的加工、装配组合等相关技术措施。     

基于Delphi的光学中心偏误差分析软件研制

根据光学系统的装校工艺过程,应用开发工具Delphi,研制了用于光学系统装校的光学系统中心偏误差分析软件。该软件提供了光学元件球心像位置计算和光学中心偏误差分析的功能,人机界面友好、操作简单方便,目前已经较好地应用于高精度光学中心偏测量仪的光学装校工艺过程的控制。     

面向光学装调微小距离测量的系统设计

光学仪器能否精准装调对其最终呈现的成像质量及性能有着重要影响。针对光学相机装校的修切量检测,提出了一种用于微小距离测量的光路方案并设计了一款物像等距的有限远共轭光学系统,其放大倍率为1×,数值孔径为0.09,视场为0.5°。根据实际应用需要,制定合理的光学指标,利用光学设计软件Zemax进行系统的设计与优化。结果表明,有限远共轭光学系统各视场在160 lp/mm处的调制传递函数均接近衍射极限,且都大于0.3,各视场的均方根半径小于艾里斑半径,满足光学指标设计要求。搭建实验平台,对装配星敏感镜头和CCD相机的修切圈进行测量,实验结果符合设计要求。