小型长焦距光学敏感器主镜变形分析简

主镜作为光学敏感器的关键部件,其变形对光学系统的成像质量有着重要影响.现利用patran＆nastran有限元法模拟在不同预紧力下的主镜装配,分析其相应的轴向位移和镜面RMS值变化,结果表明：预紧力为900 N时的主镜变形能满足光学系统的成像质量要求,经实际装配检测后,光学敏感器调制传递函数（MTF）值达到设计要求.研究结果可指导同类型结构的装配.     

大视场低畸变的星敏感器光学系统设计

星敏感器是微纳卫星的重要组成部分,其通过光学遥感技术,可推测出微纳卫星的飞行姿态信息.根据星敏感器的要求及所选探測器CMV300参数,设计了一种基于球面的星敏感器光学系统.该光学系统由6片国产透镜组成,光谱范围为520～880nm,视场角18°,相对孔径1/1.49.优化后的光学系统焦距为25mm,总长为37.9mm,具有极低的畸变率(≤0.12％),能量集中度大于或等于90％(2×2像元内),成像均匀且具有良好的色差校正.结果表明,该光学系统成像质量良好,可满足微纳卫星对星敏感器的要求及发展需要.     

主镜稳定温度场特性分析

论述了主镜热设计及热分析的重要性,并分析了在温度场作用下主镜的变形及其对光学系统成像质量的影响.对材料分别为K9和熔石英的主镜在径向稳定温度场的作用下的面形变形作了详细的分析、计算,发现相同结构的主镜,其镜面不仅变形与主镜的线胀系数和其他材料、结构特性参数有关,而且与温度梯度的大小和方向均有密切的联系.     

小型光学遥感器主镜室的光机结构

设计了一种新的光机结构,以使超小型光学遥感器在宽温度范围及恶劣的动力学环境下能够良好成像。研究了该结构中的核心部件-主镜组件的支撑结构的设计原理和实现方法。通过对主镜室初始设计方案的力、热特性分析,说明了主镜传统支撑方式的局限性。然后,以挠性支撑原理为基础设计了一种新型的适用于小口径反射镜支撑的挠性反射镜支撑结构,对该支撑结构的温度适应性及组件的模态进行了有限元分析,说明了采用这种反射镜挠性支撑结构能够满足设计指标要求。最后,论证了小型光学遥感器主镜室的加工及具体实现方法。对装配后的主镜组件进行了热冲击试验和温度拉偏试验,结果表明:在-60℃~80℃进行热冲击试验后,主镜不会出现炸裂现象;而在-20℃~50℃温度下,反射镜面形精度RMS仍保持在0.025λ(λ=632.8nm)水平。得到的结果验证了主镜室的设计可以满足小型光学遥感器的应用环境要求。     

新型轻质大口径空间反射镜支撑设计

摘要：随着空间反射镜口径的增大,光学系统总质量随之剧增,这与当前光学遥感器轻小型化的发展趋势相矛盾。为了更好的满足空间光学遥感器发展的需要,文章从主反射镜组件的轻质化设计入手,从结构材料热匹配的设计、主镜轻量化形式的确定以及支撑结构的合理设计三个角度系统地进行了一体化结构—热设计。针对某型卡塞格林系统Φ630mm口径主镜进行了轻质化设计,三点为主多点为辅的支撑方案在保持组件结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性。在综合考虑加工和工作状态后,最终确定了一种满足设计要求的整体优选方案,经最终分析计算确认,主镜组件镜面综合面形误差PV值均小于λ/10,各项指标完全满足光学系统对主反射镜的设计要求。     

宽光谱大相对孔径CCD星敏感器光学系统设计

星敏感器是目前航天器用于确定姿态的最先进的空间姿态敏感器之一。文中针对星敏感器的特点,设计了一种星敏感器光学系统。该光学系统焦距为52.5mm,F数为1.5,视场角为12。,光谱范围为480～850nm,选取复杂化的双高斯光学结构形式及选用特殊的玻璃配对。设计的光学系统在宽谱段范围内获得了较好的成像质量,在13.4μm直径范围内能量包围达到85%,在0.85视场内各色光相对主色光的倍率色差在爱里斑直径范围内,全视场畸变小于1%,能获得准确位置坐标的恒星图片,符合星敏感相机使用要求。     

4mSiC轻量化主镜的主动支撑系统

针对4 m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大,面形精度要求高的特点,提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重,主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力,从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围,提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化,确定了轴向54点和侧向24点等间距等力（β=0.5）支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时,主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8 nm和82.9 nm。采用主动校正后,主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0 nm和9.8 nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30（λ=632.8 nm）的指标要求。     

同轴大压缩比大相对孔径相机的光学系统设计

以近轴三反射镜消像差理论作为设计依据,采用小视场角偏置设置,使用一维倾斜平面镜将光路在主镜前折叠,优化设计了具有高压缩比的同轴大相对孔径成像光学系统。其中,相机焦距为2.5 m,像方F数为6.3,成像视场角为0.6°×0.3°,在91 lp/mm的空间频率下,400～900 nm可见光-近红外波段光学调制传递函数优于0.41,1 064 nm激光波段20 lp/mm时光学调制传递函数优于0.6,成像质量均接近衍射极限,全视场下成像一致性较好。光学系统长度具备小于1/5.6倍系统焦距、1.1倍主镜直径的高压缩比,三反射镜均为二次曲面且非离轴空间布局,不含有高次非球面系数,公差分析结果表明光学系统易于工程化实现,在多星组网的紧凑型商用成像测高光学相机领域具有广泛的应用前景。     

大口径非球面系统的共基准加工与检验

针对大口径离轴非球面系统加工与装调的难点,提出了非球面光学系统共基准加工与检测的方法,对该方法的基本原理和实现过程进行了分析和研究。当光学系统的主镜和第三镜面形的RMS值优于λ/10(λ=632.8nm)时,对主镜和第三镜进行共基准装调和测试,并进行背板一体化装嵌,然后利用离子束对其进行一体化共基准加工。结合工程实例,对一大口径非球面系统口径为724mm×247mm的非球面主镜和口径为632mm×205mm的第三镜进行了共基准加工与检测,最终利用离子束共基准一体化精抛光得到主镜和第三镜面形的RMS值分别为0.019λ和0.017λ,满足光学成像。     

折反式坦克目标跟踪识别红外光学系统设计

基于光学相关探测,根据坦克目标跟踪识别系统的需求,设计了一种新型的卡塞格林红外光学系统,其非球面的主镜和次镜都取代为球面镜,不存在卡塞格林系统大口径非球面主镜、次镜的高加工精度和装调困难的问题;为满足大视场、大孔径的像差要求,用三个校正透镜,在保护罩中用一个偶次非球面.其系统结构紧凑,口径大,焦距长,分辨率高,并且各视场均能获得接近衍射极限的成像质量,满足坦克目标跟踪识别系统的总体要求和像质的要求.     

测绘相机光学镜筒设计、加工及装配

测绘相机光学镜筒是保障测绘相机完成高精度测绘任务的重要部件,它的性能好坏直接影响测绘相机成像质量。为得到高质量成像相机,本文从材料选取、结构形式的确定和性能分析等方面详细阐述了测绘相机光学镜筒的设计过程。通过分析比较,最终选取铸钛合金ZTC4作为镜筒的材料,采用单镜组加筋壳结构的组合形式,并通过PATRAN/NASTRAN软件对主镜筒装配体的静力学和动力学分析得到具有很好整体性能的光机结构;同时给出了形位公差要求、拟定了严格的薄壁壳体的加工方法,并论述了单镜组和主镜筒整体装配的过程。     

一种大型反射面天线面板装配变形仿真方法

为了保证大型反射面天线的表面精度、有效控制面板的装配误差,提出一种面板装配变形仿真和控制方法。该方法从装配工艺入手,基于"单元生死法"建立天线装配的仿真模型,考虑装配顺序、装配预紧力和重力对面板装配的影响,进行面向装配过程的面板装配变形动态仿真,计算装配过程每块面板的实时装配变形及其引起的装配误差,并对装配顺序和装配预紧力进行优化。通过仿真某工程9m圆抛物面天线的面板装配过程,研究了装配顺序和装配预紧力对面板变形的影响,对比实际工程装配结果,证明了所提方法的正确性。     

一种反射／折射／谐衍射三波段混合成像系统设计

综合使用反射/折射/谐衍射光学元件构建混合光学系统,实现可见、中波红外与长波红外三个波段的融合成像。利用卡塞格林系统主镜作为三波段共同通光孔径,次镜实现可见与红外波段分离;采用谐衍射光学元件与舒普曼结构实现一种材料消除红外系统色差;通过二次成像实现红外波段100%冷光阑效率,简化结构,成像质量接近衍射极限。     

基于拓扑优化技术的500mm主镜结构设计

基于拓扑优化软件Optistruct对500 mm口径后背钻孔式碳化硅主镜进行了结构优化设计。对比了优化设计主镜结构与传统三角形轻量孔主镜在重力场,温度梯度场下其镜面变形情况。校核结果表明基于拓扑优化设计的主镜结构相比于传统的三角形轻量化孔均布式结构具有更好的光学性能以及更轻的质量。最后对比不同的温度梯度场下的镜面变形情况,结合技术要求提出了主镜的温控目标。     

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。     

光电跟踪系统Φ1000mm主镜的装调

1 000mm口径主镜的光机装调质量直接影响望远镜光学系统的成像效果。为了改善大口径光电跟踪系统的成像质量,本文对主镜的装调技术进行了研究。首先,对影响主镜面形精度的误差进行分配;其次,结合具体的主镜支撑结构的形式,采用典型装调方法对800mm口径主镜进行详细的装调研究,实时测得主镜的面形精度;最后,综合分析产生装调误差的来源,提出了一种加工、检测、装调一体化的高精度装调方法。该方法使得1 000mm主镜在装调后的面形精度波像差RMS值达到了λ/40,在提高装调质量的情况下显著提高了装调效率。     

后桥主齿总成装配力学建模与选垫影响分析

依据某企后桥主齿总成装配工艺控制标准,通过搭建主齿总成装配的力封闭模型和圆锥滚子轴承力学特性计算模型,并对轴承和隔套的轴向力学特性曲线进行测试分析,在考虑轴承内圈截留载荷和垫片厚度的影响基础上,提出一种后桥主齿总成装配变形耦合和轴向力分配的图表分析方法。通过该方法,可以分析预紧垫片的厚度对主齿总成装配质量的影响机制。结果显示,在主齿总成的装配过程中,精确控制预紧垫片的选装厚度误差,可实现隔套轴向力与轴承预紧力的精确分配,提高主齿总成装配质量。     

基于MEMS的数字式太阳敏感器光学系统设计

从标量的菲涅尔-基尔霍夫衍射理论出发,建立基于圆孔结构的数字式太阳敏感器光学系统成像模型,在计算机上实现光学系统的数值仿真,并根据数值仿真的结果进行光学系统参数的设计。针对所设计的光学系统,利用太阳模拟器完成了地面实验,实验结果表明,光学系统设计合理,能满足微小卫星对敏感器小型化、高精度的要求。     

测绘相机光学镜简设计、加工及装配

研究了光学镜筒的设计、加工和装配.从材料选取、结构形式确定和性能分析等方面论述了测绘相机光学镜筒的设计过程,探讨了透镜支撑结构-薄壁壳体的加工方法.最后,介绍了单镜组和主镜筒的装配过程.通过比较,选取铸钛合金ZTC4作为镜筒的材料,采用单镜组加筋壳结构的组合形式,运用PATRAN/NASTRAN软件对主镜筒的分析表明其结构强度和刚度很好,可满足相机结构要求.薄壁壳体通过精密铸造,再经过车削而成,各定位阶梯内圆柱面同轴度达到0.01mm.镜简装配要点是无变形安装固定透镜、精确控制空气间隔和高精度定心.装配完成的镜头光学传递函数达到0.43(77lp/mm),满足测绘相机精度要求.     

光学系统动态像点移动的坐标变换法

以宇宙飞船为载体的航天相机在轨工作过程中,由于受到空间动力学干扰源的作用,飞船、整个光学系统以及光学元件可能会产生振动,并由此引起曝光时间内像点的移动。这些振动必将造成光学系统成像质量的下降。本文探讨了振动过程中像点移动的分析方法--坐标变换法,并利用这种方法计算了航天相机主镜振动时的像点移动。