子孔径布局对拼接光学系统像质的影响

由衍射理论模型出发,分析了子孔径布局对光学系统点扩散函数的影响,从而进行傅里叶变换计算出其对光学系统光学传递函数的影响;并由光学设计软件内嵌程序将子孔径布局实际地加入到设计的光学系统中,分析各种不同子孔径布局对光学系统像质的影响.通过由衍射理论出发的计算结果与设计软件内嵌程序的模拟仿真结果的对比,软件内嵌程序的模拟仿真结果得以验证.针对子孔径布局对具有相同相对孔径光学系统的影响进行了仿真计算,对与子孔径拼接原理样机具有相同相对孔径和中心遮拦比的反射式光学系统,针对相同孔径布局对其光学传递函数的影响进行了实际测试,通过仿真计算结果与测试结果的对比分析表明,孔径布局对具有相同相对孔径拼接光学系统的光学传递函数影响趋势一致的结论,从而为子孔径拼接原理样机研究的实用性及像质检测提供了理论依据.     

基于环形衍射理论的反射式光学系统研究

基于环形衍射理论,对像面光强与光学传递函数进行了计算仿真.编制了可以嵌入到光学设计软件ZEMAX的环形孔径模拟程序,对中心遮拦的像质影响进行了模拟分析.通过理论计算仿真与软件模拟结果对比发现二者结果吻合,验证了嵌入程序的正确性与可行性,为反射式光学系统像质评价提供了更为客观与全面的评价依据.通过模拟结果得出存在中心遮拦光学系统点扩散函数次峰增强,中频区域光学传递函数下降.分别对不同遮拦比像质进行模拟,结果显示对于遮拦比小于30%的系统,遮拦对像质影响基本可以忽略,但当遮拦比增大到40%时,光学传递函数中频开始下降较为明显,为遮拦比的合理选择提供了依据.     

基于环形衍射理论的反射式光学系统研究

基于环形衍射理论,对像面光强与光学传递函数进行了计算仿真。编制了可以嵌入到光学设计软件ZEMAX的环形孔径模拟程序,对中心遮拦的像质影响进行了模拟分析。通过理论计算仿真与软件模拟结果对比发现二者结果吻合,验证了嵌入程序的正确性与可行性,为反射式光学系统像质评价提供了更为客观与全面的评价依据。通过模拟结果得出存在中心遮拦光学系统点扩散函数次峰增强,中频区域光学传递函数下降。分别对不同遮拦比像质进行模拟,结果显示对于遮拦比小于30%的系统,遮拦对像质影响基本可以忽略,但当遮拦比增大到40%时,光学传递函数中频开始下降较为明显,为遮拦比的合理选择提供了有力的依据。     

子孔径合成光学成像系统像质评价研究

由于子孔径合成光学成像系统出瞳波前离散,成像特征有异于常规光学系统.对比了两种子孔径合成光学成像系统的像质评价方法,其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参量,拟合成泽尼克多项式,通过快速傅里叶变换获得光学系统的调制传递函数;其二是对子出瞳波面在像面复振幅分布的衍射直接积分叠加计算系统调制传递函数.对于离散出瞳波前,拟合的泽尼克多项式不可避免有较大误差,由此计算获得的调制传递函数与实际测量值有较大区别.设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统,在此基础上用ZYGO GPI干涉仪验证并对比了使用两种方法对像质计算的特点.结果表明,子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高,但计算量大,且要获得更高的像质评价精度,应使用更适于表达离散不规则形状子出瞳波前的波函数.     

大相对孔径红外消热差物镜设计

研究了大相对孔径光学系统的设计方法,讨论了光学设计初始的光焦度分配计算,设计了F数为0.9的大相对孔径红外消热差物镜。建立了由多个光组构成的组合光学系统的消热差模型,结合光学系统的结构型式和所选择的光学材料组合,获得了初始的光焦度分配,利用计算机辅助优化设计完成了像差校正。环境温度分析表明,在-40～60℃,该物镜成像质量稳定,调制传递函数(MTF)接近衍射极限。实际设计结果与理论计算结果相符合。     

大相对孔径红外消热差物镜设计

研究了大相对孔径光学系统的设计方法,讨论了光学设计初始的光焦度分配计算,设计了F数为0.9的大相对孔径红外消热差物镜。建立了由多个光组构成的组合光学系统的消热差模型,结合光学系统的结构型式和所选择的光学材料组合,获得了初始的光焦度分配,利用计算机辅助优化设计完成了像差校正。环境温度分析表明,在-40～60℃,该物镜成像质量稳定,调制传递函数（MTF）接近衍射极限。实际设计结果与理论计算结果相符合。     

二元光学反／衍混合Schmidt望远系统光学设计

针对空间光学系统轻型的特点，采用衍射光学元件取代Ｓｃｈｍｉｄｔ校正板来校正系统像差，设计了一个二元光学反／衍混合Ｓｃｈｍｉｄｔ望远系统。光学系统的通光孔径为＝２００ｍｍ，相对孔径Ｆ／＃＝１．９，波长λ＝４．３μｍ，视场２ω＝１０°。光学设计采用ＯＳＬＯｓｉｘ软件。光学设计结果：空间频率ν≤６０ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍ时，调制传递函数ＭＴＦ≥０．４。     

基于等效节点的子孔径拼接系统公差分析

在子孔径拼接系统中,各子孔径之间的倾斜与位移对整个系统的成像质量有直接影响.本文应用动态光学理论中等效节点概念,根据各个子孔径倾斜及轴向与垂轴位移位移时等效节点也将发生相应移动的原理,利用拼接元件形成像点的位移引起的各个子镜形成像点叠加误差形成的弥散圆尺寸变化之间的关系,简化了子孔径倾斜与位移对拼接系统像质影响的分析与计算.通过在子孔径拼接原理样机结构设计与公差分析中的应用,得出原理样机的倾斜公差为4 μrad,位移公差为6 μm,使原理样机的子孔径装配调整得到了有效控制.     

高精度的光学传递函数计算

直接从基尔霍夫衍射积分理论出发，在数学模型上考虑了瞳面振幅分布的不均匀性和倾斜因子，并采取一系列改进数值计算方法的措施，力求光学传递函数计算的高精度。通过对多个同类软件和多个典型镜头进行比对计算和分析的结果表明，本软件适用于为光学传递函数标准镜头准确定值，也适用于各种大相对孔径和广角光学系统的设计与计算。     

反射式光学像面拼接方法研究

目前,电荷耦合图像传感器的像面尺寸不足以满足现代空间光学系统的需求,本文采用反射式光学系统拼接的方法来扩大光学系统的视场.针对光学拼接带来的渐晕和使调制传递函数变小的问题,研究了一种带有6个反射面的反射镜光学拼接系统,分析了反射镜拼接系统渐晕的特点,提出采用子子像面间渐晕补偿法消除子像面交界处的渐晕,并对像面边缘的渐晕进行补偿.另外,通过合成点扩散函数法来改善光学拼接系统的调制传递函数,结果表明:合成图像的调制传递函数与子图像的调制传递函数相比,虽然截止频率没有提高,但在同一频率处的值有明显的提高.     

子孔径拼接技术应用的研究

大口径光学元件的检测开拓了子孔径拼接应用的新领域。采用小口径干涉仪对大口径被测元件不同区域进行波前检测,然后恢复计算出被测波前。使用光学设计软件ZEMAX对子孔径检测拼接技术进行了模拟,模拟结果表明：波前检测相对误差小于4.3λ‰,实现了对大口径光学元件面形的高精度检测,避免了相同口径检测干涉仪的使用,降低了检测成本及难度。     

子孔径拼接检测光学系统波前机械定位误差补偿算法

为了实现大口径光学系统波前子孔径拼接干涉测量,保证子孔径采样数据准确定位,提出了子孔径拼接定位补偿算法。介绍了该算法原理,分析了该算法子孔径定位误差补偿能力。首先根据被检光学系统和子孔径口径大小规划出采样子孔径布局,在子孔径采样装置机械精度误差范围内对子孔径进行拼接,根据所求子孔径定位误差补偿系数和调整误差系数,得到被检全孔径波前,完成大口径光学系统波前的拼接检测。通过仿真验证了该算法的可行性,在机械平移定位精度为1 mm和转动角定位精度为0.5°时,用该算法实验检测口径为200 mm的光学系统平面波前。检测结果表明该算法稳定可靠,能有效补偿机械精度引起的子孔径定位误差,从而可放宽对机械定位精度的要求。     

基于子孔径拼接原理检测大口径光学元件

 为了实现小口径干涉仪对大口径光学元件的低成本、高分辨力检测,可采用子孔径拼接方法。在对拼接算法进行改进的基础上,开发了拼接检测软件;建立了一套拼接检测系统,开展了大口径平面光学元件的子孔径拼接检测实验研究。利用9个60 mm×60 mm子孔径拼接来检测120 mm×120 mm的光学元件,检测结果表明:峰谷值误差为2.37%,均方根值误差仅为0.27%。     

基于子孔径拼接法测量高精度反射镜

为了解决高精度光学反射镜的子孔径拼接检测问题,基于最小二乘拟合,依据拼接算法建立数学模型,编制了拼接程序,同时对口径为120 mm的平面反射镜进行了拼接检测。检测中,基于标记点确定子孔径间的相对位置,完成子孔径间的对准。分别基于全口径检测结果与自检验子孔径测试结果对拼接结果进行精度分析。实验结果表明:拼接结果无拼痕,拼接结果与全口径测试结果、自检验子孔径测试结果一致; 拼接结果与全口径面形测试的PV值与RMS值的偏差分别为0.020 与0.002 ,验证了检测的可靠性和准确性。     

直线阵光学综合孔径成像中的子孔径尺寸效应

光学综合孔径阵列中的子孔径的位置和直径的大小对成像质量有着重要的影响。详细分析了几种不同优化排列的光学综合孔径直线阵列的无像差点扩展函数、光学传递函数和衍射成像特性．结果表明,子孔径的位置不同．光学传递函数的空间频率覆盖有很大的差异。增大子孔径的直径可以增大空间频率覆盖程度．但子孔径直径过大时义会产生空间频率冗余度和增加制造成本。直线阵光学综合孔径的衍射成像是多重像,子孔径直径的增大还可以减小重影的程度,提高成像质量。结果说明,在进行光学综合孔径阵列优化排列时必须考虑子孔径的直径大小这个重耍的因素。     

二维圆周光综合孔径阵的优化排列及其成像特性研究

光综合孔径成像的原理是应用干涉原理在空间频率域中进行采样,并通过傅里叶反变换或其他数值变换方法得到空间分辨力远高于单个孔径成像系统的目标图像。由若干个相同的小孔径在二维圆周上优化排列组成的综合孔径成像系统可以在二维空间频率域中实现较为均匀分布的、具有无冗余度的采样点覆盖,为高质量实时成像提供了一个有效的途径。运用模拟退火算法对由7～16个子孔径组成的二维圆周综合孔径阵列进行优化排列。并依据光学衍射成像原理,从空域和频域两个方面详细分析了二维圆周上优化排列与均匀排列光综合孔径阵的成像特性。对7～16个子孔径组成的光综合孔径的仿真结果表明：无论是在空域还是频域上,子孔径直径增大、孔径数目增多以及综合孔径阵的优化排列都是有利于提高成像质量的。但综合后的子孔径的直径的增大,虽然能获得极高的角分辨力,却并不利于成像质量的提高。     

子孔径拼接技术在长平晶计量中的应用研究

研究子孔径拼接在长平晶测试中的应用。讨论了子孔径拼接的基本原理,建立了子孔径拼接模型,确定了进行长平晶拼接测试的基本算法。根据最小二乘法的基本原理,编制了子孔径拼接数据处理程序,通过使用该程序,可以有效地修正测试过程中产生的倾斜量。进行了长平晶拼接检测实验,拼接结果与全孔径检测结果进行了比较,结果表明,该程序能够满足长平晶的检测要求。     

稀疏子孔径采样检测大口径光学器件

针对大口径光学器件在抛光加工过程中子孔径拼接检测效率低的问题,提出并分析了用稀疏子孔径采样法对大口径光学器件抛光加工过程进行过程检测。通过软件仿真分析稀疏子孔径不同的采样分布,并拟合出不同采样分布的全口径面形,与实际测得全口径面形进行比较。结果表明:当稀疏子孔径采样分布合理时,稀疏子孔径采样检测法检测出的全口径面形与实际测量的全口径面形相当,所以稀疏子孔径采样检测法可以在抛光过程中进行检测,从而提高检测效率。     

光学综合孔径望远镜成像分析及计算机仿真

阐述了光学综合孔径(OSA)望远镜成像原理以及综合孔径望远镜的几种实现形式；采用快速傅里叶变换(FFT)算法得到了任意子孔径综合模式下的点扩展函数(PSF)和光学传递函数(OTF)分布；从子孔径结构排列、共相位、图像恢复几个方面论述了光学综合孔径的成像特征。初步分析了稀疏率、填充因子、“实际截止频率”等因素对光学综合孔径望远镜成像的影响。分析和仿真结果表明：光学综合孔径通过相干成像不但可以突破传统单孔径系统的口径局限获得极高的成像分辨率，而且对于实现空间光学遥感系统轻量化和模块化都具有重要意义。