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。     

一体式紧凑型折反光学系统设计

提出了一种一体式双反射结构以解决导引头前视红外系统中R-C双反射系统装调困难以及在导弹飞行过程中次镜支架的稳定性问题.该结构将主次镜集成在一个透镜前后表面,通过对透镜前后表面进行加工并涂敷内反射膜来实现双反射镜一体化.如此配置使系统装调只需针对整个透镜,从而降低了装调难度,提高了结构的稳定性.设计了适用于中波红外的紧凑型二次成像光学系统,该系统像质优良,各视场光学传递函数均大于0.6,接近衍射极限,并可利用二元衍射光学元件在-40～60℃实现光学被动消热差.最后进行了公差分析,并针对该光学系统列举了一些抑制杂散辐射的方法,实验显示系统满足实际加工和应用需求.     

高分辨率4f传像系统分辨率的影响因素分析

研究了在实际应用中4f传像系统分辨率的影响因素及其作用机制,用于指导系统的设计和装调。首先,在理论上分析了由装调误差引起的像差对系统光学传递函数(MTF)产生的影响,并建立了描述二者关系的数学模型。基于该模型研究了1μm分辨率4f光学系统的装调误差,仿真计算了系统含有透镜偏心、倾斜、位移误差对MTF的影响,得到了分辨率随误差的变化曲线。实验结果表明,倾斜在15″以内,偏心误差在0.02mm,位移在0.01mm范围内,装调误差均会导致分辨率下降,虽然倾斜在极小范围内微调时分辨率会提高,但总的变化趋势不变。绘制的装调误差与分辨率的关系图,可为高分辨率4f系统的误差预估提供参考。     

光学系统装配误差分析及装调路径优选

分析了透射式光学系统中透镜以球面接触形式和平面接触形式装配时,多种公差对透镜装配误差(倾斜误差和偏心误差)的综合影响,从光学公差和机械公差设计的角度综合评价光学系统公差设计的合理性。借助于光学元件的分划工艺和绕中心轴线旋转装入的角度,提出了透镜与镜筒装配位姿量化的确定方法及装调路径描述方法。利用光学设计仿真软件ZEMAX进行了基于MTF指标的公差灵敏度分析,从而进一步提出了基于误差权重因子的装调路径优选方法,并用三片式柯克物镜系统的装调验证了研究方法的合理性。     

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。     

大口径望远镜光学系统的误差分配与分析

光学系统的公差是光学设备加工、装调和使用中的一项重要性能指标。如何在加工、装调和使用中找到影响系统性能的因素以保证达到预期的精度,是大口径望远镜光学系统设计中的重要部分。本文以1.2m望远镜光学系统为例,阐述了误差分配原则,首先根据设计确定总体误差标准,然后计算误差分配的项数,最后依据分配原则,结合实际加工和装调水平,给出了合理的误差分配结果。结果表明,在满足目前国内加工要求和装配的条件下,使分配后该望远镜光学系统误差(RMS波像差)小于λ/8.5,为大口径望远镜光学系统的误差分配提供了有力的依据。     

使用高精度三坐标测量仪实现透镜定中心

传统的光学测量定中心法受限于光源、转台大小和装调误差传递性而不适用于大口径、多透镜光学系统的装调,为此本文提出了使用三坐标测量仪接触式测定透镜中心的精密机械测量法。介绍了使用三坐标测量仪测量大口径透镜中心偏的原理,即在测量透镜上表面与基准轴等距离各点坐标的基础上拟合得到透镜光轴与基准轴的夹角,从而解算出透镜的中心偏。通过大口径长焦距镜头的装调对该方法进行了检验。检验结果表明:该透镜的装调偏差为6.47″,重复性误差为(1.16×10-4)″。该方法将光学测量变为机械测量,利于装调,可在保证装调精度的同时简化装调难度,提升装调效率,满足大口径多透镜光学系统对高精度装调的要求。     

多功能光学传递函数测试仪

全面、准确、客观地评价光学系统的成像质量是研制高质量现代化光学仪器必不可少的重要环节,光学传递函数测量是现代光学仪器设计、加工、装调后评价其最终成像质量的主要手段.针对长春光机所新近建立的多谱段、多功能现代化光学传递函数实验室,详细介绍光学传递函数测试仪的测试原理、仪器结构、附加配置设备、测试仪扩展功能、实验室基本保证条件以及该测试仪的标定和综合测试结果等.     

基于高斯光学齐次坐标变换的光机装调

高性能光学系统装调的调整量与光机结构设计相关,而装调所用参考坐标系往往与光学设计所用的坐标系不同。为了精确描述调整量对高斯像位置的影响,本文在基准坐标系下建立了引入装调误差量的高斯光学齐次坐标变换模型。针对具体的光机结构,建立了高斯像像旋和离焦对调整变量的函数,据此计算小的结构变化导致的离轴三反望远物镜高斯像面的移动,结果显示其与光学设计软件对最佳像面位置优化结果的相对差小于4%。利用方差合成方法建立线性规划模型,对17个装调变量做了最宽松的误差分配方案。用Monte Carlo法验证了分配方案,结果表明,该方案在±300μm调焦能力下满足各视场±10μm的焦深要求。本文的方法忽略了复杂、微小像差的影响,适用于含多个已做内部精装的光学组件或平面反射镜的复杂成像光学系统的装调。     

利用Zemax评估RC光学系统研究

针对RC(里奇-克莱琴)光学系统主次镜都为双曲面且轴外视场像散较大的特点,需要对这类光学系统的加工和装调过程进行分析,以明确加工误差和测试失调量对光学系统的影响。利用干涉仪和光学设计软件Zemax,对这类光学系统的光学特性进行分析。通过测试波像差与Zemax模拟结果的比对,完成了对加工误差和失调量的准确判断。经过对加工误差和失调量的正确修改,使光学系统的性能达到设计要求。     

光学传递函数测试仪的现状和发展趋势

光学传递函数被公认为目前评价光学系统成像质量比较客观、有效的方法。给出光学传递函数的基本理论,介绍了目前国内外主要光学传递函数测试仪的数学模型、测试原理、基本结构和主要性能,并阐述了今后光学传递函数测试仪的发展趋势。     

视差对测角精度影响探讨

光学仪器的装调误差会引起视差的存在,使得观察者眼瞳在仪器出瞳不同位置瞄准时会得到不同的结果,给测量精度带来比较大的影响。通过对仪器出瞳和眼瞳之间关系的计算分析可以发现,瞄准误差不仅与仪器视差量有关,而且与眼瞳放置位置、瞳孔直径大小和光学仪器的视角放大率有关。通过实际测量对比验证了视差对测量精度的影响分析。结果表明,随着眼睛偏离出瞳中心越远,瞄准误差也就越大。     

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.     

极坐标激光直写系统光轴和转轴对准的光栅反射对准法

提出一种光栅反射对准法:在极坐标激光直写系统中利用光栅反射聚焦光斑来校准光轴和工件台的转动轴;被光栅反射的聚焦光斑成像在CCD上。当聚焦透镜的光轴和工件台的转动轴存在对准误差时,如果转动光栅,激光光斑将在光栅上扫描出一个圆形轨迹。通过观测这个轨迹,能估算出光轴和转轴的对准误差并相应地做出调整减小对准误差。采用光栅反射法,现将光轴和转轴的对准误差减少到小于0.5μm。     

反射式光学系统中心偏的测量

通过分析反射式光学系统的特点,在现有透射式光学系统中心偏测量仪的基础上,提出了适合该系统中心偏测量的方法,分析了球心像的观察条件,并推导出反射系统中心偏的计算公式,从而形成了一个完善的反射式光学系统中心偏测量体系。该方法能获得与透射系统中心偏测量相同的精度,操作方法也基本相同。     

光镊系统随机漂移建模和误差补偿

针对光镊系统本身噪声对测量精度的影响,提出了一种光镊系统随机漂移误差的有效补偿方法。首先,介绍了时间序列分析法和卡尔曼滤波技术,基于时间序列分析法建立了光镊的随机漂移误差模型;然后,用基于时间序列模型的卡尔曼滤波方法来减小该漂移误差。采用提出的方法对光镊设备实测数据的误差进行了补偿,结果表明：数据的误差方差由补偿前的188.90 nm²减小为8.41 nm²。计算补偿前后的艾伦方差可知,系统在平均时间为1 s时可使最小位移误差从 0.7 nm降低到0.1 nm。得到的结果显示：提出的滤波方法有效地抑制了光镊系统的漂移误差,将其用于双光镊对准可提高捕获光和探测光的对准精度,进而提高光镊系统的性能指标。     

利用激光散斑测量CCD的调制传递函数(MTF)

本文分析了抽样成像系统的OTF,并讨论了与透镜OTF的非相干耦合问题,同时提出了一种新的测量CCD的MTF的方法。这种方法利用激光产生的散斑,在CCD的接收面上产生一个已知能谱分布的入射光强函数,对CCD信号进行A/D变换,作快速傅里叶变换(FFT),即可得到输出谱,从而求得MTF。该方法可直接对器件进行测试,不需要精密的准直设备和高质量的成像透镜,也不必对CCD的输出加放大电路,简便易行,能够满足对CCD性能进行快速检测的要求。本文测定了东芝TCD102C-1型CCD的MTF曲线。     

用扫描显微镜测量光学系统的光学传递函数

对光学系统输出刀口像的一阶导数做傅里叶变换,可以得到该系统的光学传递函数(OTF)。基于这一原理,我们研究了一种使用扫描显微镜和微计算机测量光学传递函数的方法。这一方法具有简便灵活、测量频率高的特点。在给出测量结果的同时,指出了测试及数据处理中应该注意的问题。