失调卡塞格林光学系统像差特性的研究

以矢量波像差理论为基础,对卡塞格林光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调的卡塞格林系统不会引入新的像差,只是会导致三阶像差在像面上的分布发生变化,球差在全视场内为常量,彗差零点不再位于视场中心,像散在视场内存在两个零点且不再关于中心视场对称。在校正失调产生轴上彗差的情况下,卡塞格林系统的一个像散零点位于轴上视场,轴上视场的像差接近于零,但是边缘视场的像散依然较大,因此在卡塞格林系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差来确定系统的装调状态。利用CODE V 对失调卡塞格林系统的像差在视场上的分布进行仿真,结果表明利用矢量波像差理论可以对失调卡塞格林系统的像差进行定性分析,以提高卡塞格林系统的装调效率。     

几种失调反射光学系统的波像差特性

为了描述失调状态下反射光学系统在整个像平面中的波像差分布特性,从而对反射光学系统进行有效的装调,对偏心和倾斜影响下的几种反射光学系统的三阶彗差和三阶像散进行了研究。首先,对失调光学系统三阶波像差的矢量形式进行了推导。然后,对失调状态下经典Cassegrain系统、Ritchey-Chrtien系统和三反射镜消像散系统三阶彗差和三阶像散的分布情况进行了分析,并且对两反射和三反射系统的装调进行了简要的讨论。使用Zernike多项式对视场中各个位置的波像差进行拟合,分离出三阶彗差和三阶像散并进行了全视场显示。理论分析与实际拟合结果一致,说明结论是正确的。     

离轴三反望远镜主镜和三镜面形误差补偿机理

为保证大口径离轴三反消像散(Three-Mirror Anastigmat,TMA)光学系统在轨成像质量,探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理,以矢量像差理论为基础,用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差,并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现,位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散;提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式,以系统出瞳波像差RMS值为评价标准,构建离轴TMA系统像差补偿模型,利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时,所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ;系统三镜存在0.05λ像散与彗差时,可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ,且当三镜面形误差在(-0.03λ,0.03λ)范围内时,可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值,使系统成像质量满足要求,为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。     

离轴反射光学系统像差特性研究

以轴对称光学系统的初级矢量波像差理论为基础,通过引入孔径缩放因子和孔径偏移矢量,获得了离轴反射光学系统初级像差特性。通过分析可知:离轴反射光学系统的初级像差依然由球差、彗差、像散组成。由于孔径缩放因子存在,离轴反射光学系统的波像差系数均有不同比例的减小,且轴对称光学系统的高级孔径像差会在对应离轴光学系统中引入较低阶孔径像差,例如轴对称光学系统未校正球差,对应的离轴光学系统除过球差外还将引入彗差、像散等。相比于轴对称光学系统的像差,由于孔径偏移矢量的引入,离轴反射光学系统的像差不再关于中心视场旋转对称,有可能在轴外视场产生像差零点。     

面型误差和失调量对同轴三反系统像质的影响

应用于对地观测的高分辨同轴三反式系统对光学装调有着严格的要求,光学元件的失调量和由装配应力导致的面型误差都会严重影响系统成像质量。该方法通过镜面受力分析和光学系统仿真指导系统装调,以某商业遥感卫星搭载的同轴三反式镜头装调过程为例,分析失调量和面型误差的像差特性。通过分析光学元件失调量和面型误差与系统像散、彗差以及球差的关系,并利用系统波像差的均方根（RMS）作为系统像质的评价标准,得出各个光学元件失调量和面型误差对系统成像质量的影响权重。根据计算结果进行针对性调校,使系统各视场的平均RMS值收敛为0.06以下。经过多台同类镜头装调结果验证,证明该方法切实有效,可缩短装调周期,提升装调精度。     

利用像散分析实现的大口径望远镜装调技术

望远镜装调技术是一种可有效提高光学系统像质的装调方法。针对孔径光阑位于主镜上的RC式望远镜系统,分析了装调过程中由于次镜偏心导致在零彗差前提下依赖视场的三级像散。研究了通过离焦星点得到外围轮廓的长轴长度和椭圆偏心率计算像散幅值和角度的算法,并验证了基于像散性质的另外一种辅助的装调方法。使用Zemax软件和Matlab编程模型仿真实现了装调技术,应用第一种装调方法分析了全视场8个离焦星点的像散幅值和角度,与软件的结果进行了对比,并且分析了其他三级像差(如彗差和球差)的干扰作用。最后,结合工程应用讨论了实际工作中如何实现装调技术。仿真结果显示,该方法具有较好的精度、抗干扰能力和实际应用价值。     

基于自准直原理的小视场镜头波像差测试系统

为实现对小视场光学镜头波像差的快速、高精度检测,将自准直原理与斐索型激光球面干涉仪检测波像差原理结合起来,提出一种基于自准直原理的光学镜头波像差检测系统。介绍了斐索型激光球面干涉仪检测波像差的工作原理,并详细论述了基于自准直原理的波像差检测系统的装调及检测方法。结合自准直光路的特点,实现对干涉仪光轴、被测光学镜头光轴以及高精度平面反射镜光轴的精确定轴,从而实现了系统光路的快速装调。实验证明,此系统可有效解决小视场光学镜头在波像差检测过程中的光轴偏斜问题,实现小视场光学镜头波像差快速、准确的检测。     

宽波段全息罗兰光栅的优化

罗兰光栅存在的主要像差是像散和弧矢彗差,影响其光通量和光谱分辨率。根据凹面全息光栅的几何像差理论,分析了记录光源点在罗兰圆外所制作的全息罗兰光栅的宽波段像差特性。发现像散和弧矢彗差能够在两个波长处被同时消除;并且在两波长之间的波段范围内,像散和弧矢彗差相对传统光栅均得到明显改善。基于此像差特性提出一种设计宽波段高分辨罗兰光栅的方法,通过选择适当的使用结构和校正波长,能够在整个使用波段有效地校正像散和弧矢彗差。利用这种优化方法设计了工作波段为160~600 nm的罗兰光栅。光线追迹结果显示,所设计光栅的光谱分辨率和能量集中度在整个使用波段较传统光栅均有显著提高。     

离轴三反系统计算机辅助装调

为实现对离轴三反系统快速、有效的装调,提出了一种离轴三反系统计算机辅助装调（CAA）方法。该方法在理论分析失调后离轴三反系统像差特性的基础上,结合CAA技术及光学装调的实际情况,选择出最少且最合理的调整量;根据检测数据及CAA数学模型直接计算出调整量的大小及方向。采用该方法对一离轴三反系统进行实际装调,将调整量从11个减少到7个,利用波前传感器被动式检测方法对离轴三反系统0及1视场像质进行检测,通过一次计算调整快速使该系统全视场波像差从RMS0.32减少至RMS0.067（=632.8 nm）,结果表明该装调方法简单、有效。     

高分辨率近红外成像光谱仪光学系统

研究了一种在近红外波段具备良好成像能力的双凹面光栅成像光谱仪系统。对这种串联光栅系统中存在的主要像差像散和彗差进行了分析,并计算获得了该系统的最优成像条件:两个光栅和柱面透镜的最优摆放位置。这种改进型的Wadsworth系统可以在全波段近似消除彗差和像散,具备良好的光学成像质量,并仅通过刻线密度较低的光栅即可实现高光谱分辨率。设计了一个工作于780~1 100 nm波段的成像光谱仪系统,其光谱采样达到0.92 nm/pixel,全视场调制传递函数在17 lp/mm的奈奎斯特频率下高于0.45,系统像差得到充分校正,且加工和装调公差比较宽松。研究结果分析证明了设计理论的正确性。     

Dilemma效应与Trilemma效应

在大偏转角自会聚彩色显像管的五级偏转像差中存在彗差校正的Ｄｉｌｅｍｍａ效应和像散校正的Ｔｒｉｌｅｍｍａ效应，即五级彗差的某种线性组合过及五级像散的某种线性组合均是常数，它们不受１０极场的影响。对于大偏转角五级彗差和像散的校正，应在Ｄｉｌｅｍｍａｔ Ｔｒｉｌｅｍｍａ常数均为０或较小值时，通过调整１０极场分布进行校正。     

光轴一致性误差对空间透射式系统像差和质量的影响

应用于空间光学的高精度透射式系统对光学装调有着严格的要求,微小的光轴一致性误差都将严重影响系统质量。介绍了一种通过像差分析和仿真预估指导光轴一致性装调的方法。以应用于空间光学的大口径长焦距透射式镜头为例,计算光轴一致性误差的像差特性。首先给出了光学元件偏心与系统像散、彗差以及球差的关系。然后详细分析了各不同透镜像差贡献的差异,分别计算了各元件偏心和倾斜对系统像散和彗差的影响。利用波前均方根(RMS)和光学传递函数(MTF)作为评价函数,得出各个分离透镜偏心误差对不同像差和系统成像质量的影响权重。最后在实验上对该方法进行验证,光学系统装调后实测结果满足像质要求。该方法能够为实际光学装调提供必要的参考,为高精度透射式光学系统的光轴一致性误差调整提供依据。     

铺层角度误差对CFRP平面反射镜面形影响研究

为了解决CFRP （carbon fiber reinforced polymer）平面反射镜在加工成型后的面形存在像散像差的问题，建立相关的理论模型以对其产生机理进行解释，并设计实验对模型进行验证。首先基于经典层合板的热效应理论，考虑到CFRP平面反射镜制造过程中存在铺层角度误差及温度变化等因素，推导了相关公式以说明当对称均衡铺层CFRP反射镜存在铺层角度误差时，在热效应的影响下会产生马鞍形的变形，即会导致面形出现像散像差。设计了相关实验，制备了两组铺层角度分别为[0 90 45-45]2s和[（0 90 45-45）s]2的反射镜样片，并利用Zygo长波红外干涉仪（=10.6 m）对样片总体面形及像散像差进行检测。实验数据显示:第一组样片像散像差的RMS值平均为0.034，第二组样片像散像差的RMS值平均为0.510。证明了铺层角度误差是使反射镜产生像散像差的主要原因之一，而且像差大小会随着反射镜弯曲刚度准各向同性的提高而减小。     

空间光通信中发射天线像差对激光传输的影响

空间光通信中发射天线像差会引起远场轴上光强下降.首先分析了无像差的理想发射天线,假设发射光束为高斯光束,在给定发射功率、天线直径时,天线直径与高斯光束直径的最佳比值为1.12,此时远场轴上光强最大.在此基础上分析了像差对远场轴上光强的影响,通过倾斜及离焦补偿,并减小发射光束直径可降低像差的影响.在最优条件下,1/4波长的球差、彗差及像散引起的远场轴上光强的附加损失分别为0.06 dB,0.13 dB及0.31 dB.最后分析了单透镜的像差特性,对于较大直径的发射天线,像差引起的远场轴上光强下降可达10 dB以上.

Abstract：

Aberration of transmitting antenna will decrease the far-field on-axis intensity in space optical communication systems. Aberration-free antenna system is analyzed. By assuming transmitting beam to be Gaussian distribution, and under given optical power and diameter of transmitting antenna, it is proved that the far-field on-axis intensity reaches its maximum when the ratio of the antenna diameter to the Gaussian beam diameter is 1.12. Compared to this maximum intensity, the far-field on-axis intensity loss induced by aberration of transmitting antenna is analyzed. This loss can be reduced by using tilt or defocus adjustment, and decreasing the diameter of transmitted Gaussian beam can also increasing the far-field on-axis intensity. Under optimal conditions, the losses caused by quarter wavelength spherical aberration, coma and astigmatism are 0.06 dB, 0.13 dB and 0.31 dB respectively. Finally, the aberration characteristics of a single lens are analyzed. The decrease of on-axis intensity caused by aberration can reach 10 dB or more for transmitting antenna with a lager diameter.     

旋转对称电子光学系统的五级几何像差分析

本文旋转对称电子光学系统五级几何像差按边界条件分成球有效期左、亚像散和场曲、亚彗差、像散和场曲、畸变等六类,并分析各类像差在高斯像平面上的图像。