失调三反消像散光学系统像差特性

文中以矢量波像差理论为基础,对TMA 光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调TMA 系统的初级球差在全视场内为常量,彗差在全视场内的方向与量值均为常量,由失调引入的像散表现为失对称性、像散值与视场成线性,其零点位于中心视场。在校正失调产生彗差时,TMA 系统像散零点位于轴上视场,像差接近于零,而边缘视场的像散依然较大,因此在TMA 系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差。在同样情况下若轴上视场测量到像散,则是由于主镜的面形误差导致而非系统失调引起。利用CODE V对失调TMA系统的失调像差分布进行仿真,结果表明,利用矢量波像差理论可以对失调TMA系统的像差进行定性分析,以提高TMA 系统的装调效率。     

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。     

大口径望远系统中主次镜系统的装调方法

为了实现大口径望远系统中主次镜系统的装调,并提高光学成像质量,采用了一种调整主次镜相对位置的新方法高精度光学定心法。该方法不同于传统的修切垫圈调整法,可同时消除主次镜系统中因次镜相对主镜的倾斜引起的像散及因次镜偏心引起的彗差,不仅大大降低了装调难度,而且消除了系统的不稳定性。另外,通过干涉自准检验和十字丝代替光轴相结合的办法,建立了一套新的主次镜系统的检验方案。通过对主镜口径为Φ520mm的R-C系统的实际装调和检验表明,组合前后主、次镜两组件的面形波像差均方根值(RMS)均小于等于0.03λ(λ=632.8nm),主次镜光轴角晃动量分别为0.72″、2″,两个镜子的光轴与其各自镜框端面的垂直度均小于等于0.005mm,主次镜系统同心度小于等于0.01mm,满足系统面形波像差均方根值小于等于0.07λ的设计要求。     

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。     

主三镜一体化离轴三反光学系统设计

离轴三反光学系统具有成像质量高、可实现大视场、无遮拦等优点,但其装调难度大,镜面支撑结构质量大。为解决这些问题,基于三级像差理论,研究一种主镜、三镜可集成一体化的大视场离轴三反光学系统,并以焦距为1 200 mm,F数为12,视场为101的光学系统为例进行了验证设计。结果表明:调制传递函数接近衍射极限,视场内平均波像差RMS值为/55,最大波像差RMS值为/22。设计结果显示,光学系统装调自由度由12个减少到6个,可使光机系统可得到简化,实现了主三镜一体化设计。     

4臂边缘驱动变形镜校正低阶像差的仿真计算

围绕未来固态大功率激光系统中低阶像差补偿的需求,开展了边缘驱动变形反射镜的优化设计和仿真分析。提出了4臂边缘驱动变形镜设计结构,并建立了仿真模型,以变形镜拟合残差面形的均方根(RMS)值和峰-谷(PV)值为目标,分析了不同结构参数对变形镜校正低阶像差能力的影响。根据对离焦、像散和彗差校正拟合残差面形的RMS值和PV值随结构参数变化的曲线,确定了变形镜的最佳设计参数并给出了该参数下拟合离焦、像散和彗差的残差面形RMS值和PV值。对于PV值分别为20、10、10μm的离焦、像散和彗差,拟合残差面形RMS值和PV值分别为0.2366μm和1.3762μm、0.0112μm和0.1146μm以及0.1606μm和0.9773μm。以上结果表明,设计的4臂边缘驱动变形镜的校正效果符合设计要求。     

多谱段多通道离轴三反空间相机装调

针对离轴三反多谱段空间相机光学件自由度多、通道多且装调复杂的难题,进行了光学仿真分析和计算机辅助装调。根据光学设计结果,设计了基于光线追迹的视场光阑,给出了红外通道和可见光通道的波像差,仿真分析了次镜和三镜的灵敏度矩阵。用可见光干涉仪对全反射式红外通道进行了装调。根据干涉仪得到的Zernike像差系数,并结合计算机辅助装调仿真结果,以主镜为基准,调整次镜与三镜的空间位置关系,直至系统波前满足设计要求。装调结果表明,红外通道的中心视场RMS为0.15λ (λ=632.8 nm),边缘视场RMS为0.33λ;可见光通道的中心视场RMS为0.06λ,边缘视场RMS为0.07λ。考虑到加工和装调误差,装调结果与设计基本一致。相机在轨图像清晰,成像质量高。     

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。     

620mm薄镜面主动光学望远镜校正实验

对620mm 口径薄镜面主动光学望远镜进行了主镜面形校正和系统波像差校正实验。主镜支撑结构由轴向36 个主动支撑点和侧向6 个被动支撑点组成, 其中轴向33 个支撑点用于主动校正,3 个作为虚拟硬点用于控制主镜空间位置;利用研制的Shack-Hartmann（S-H）传感器作为检测设备,采用最小二乘法计算校正力。实验中在对系统校正能力测试的基础上,选择了中低频Zernike 像差参与校正。通过将S-H 传感器固定在主镜曲率中心位置, 完成了主镜在不同俯仰角下的面形校正, 将初始状态约0.6RMS 校正到/12～/15RMS。而后通过平行光管发出的星点目标,对望远镜系统进行了波像差校正,使系统波像差从初始约0.65RMS 校正到约0.2RMS,分辨率由18 lp/mm 提高到45 lp/mm。     

基于多视场波前传感的次镜位置误差检测方法

大口径分块式主镜空间对地遥感系统在轨工作时,次镜相对于主镜的位置失调会对系统像质产生影响,需对其进行在轨检测与校正。当分块式主镜无中心基准镜时,无法用传统的灵敏度矩阵反演法计算出次镜失调量。为此,提出了一种基于多视场波前传感信息计算次镜位置失调量的方法,采用ZEMAX软件建立了无中心基准的36分块式主镜空间对地遥感系统。针对该系统像差特点,利用不同视场的场依赖波前像差,建立了次镜失调量检测数学模型,开展了仿真研究,结果表明当波前传感误差为1/40（=632.8 nm）时,次镜位置失调量的检测精度X、Y方向平移约为30 nm,倾斜约为15;失调量检测动态范围X、Y方向平移为0~1.5 mm,倾斜为0~0.03。并通过多组实际仿真,验证了所提方法的可行性。     

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。     

大口径快反镜面形测试系统设计

大口径快速反射镜（快反镜）常被应用于空间光通信和激光武器等领域。为实现工作状态下大口径快反镜面形误差的实时检测,设计了大口径快反镜面形测试系统。该系统的口径参数为400 mm,工作波长为633 mm,由离轴式前置扩束系统和焦面附件系统组成。对测试系统的设计参数及元件参数选择进行了阐述,设计和仿真了光学系统结构,并基于光机热集成分析获得温度变化对光学系统的影响。测试大口径快反镜面形测试系统后结果表明该系统可实现实时记录和高精度测量,且在温度变化的工作环境下也可实现稳定测量,其测量稳定性为0.048λ（RMS,λ=633 nm）。     

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。     

离轴三反光学系统主三反射镜支撑结构设计

主三反射镜支撑结构是离轴三反生物成像系统研制过程中的关键技术难点之一,为了减少工作环境下主三镜面形变化,满足支撑系统稳定性要求,利用有限元方法对主三镜组件进行了优化设计。首先,根据光学系统设计要求确定了反射镜及其支撑结构的材料和支撑方式。接着,优化布局了反射镜底部3点和侧面6点支撑位置,设计了轻量化镜室结构。根据优化数学模型设计了圆弧悬臂梁式柔性铰链结构,分析了在重力工况下和温度载荷工况下各参数对镜面面形精度的影响。然后,对反射镜支撑组件进行了静力学和热力学仿真分析,分析结果为重力工况下镜面均方根值RMS为1.529 nm,温度变化4 ℃时镜面均方根值RMS为2.426 nm。最后,采用Zygo干涉仪对支撑作用下的主三反射镜和系统波像差进行检测,实测反射镜镜面RMS值为0.025 λ,系统波像差RMS值为0.102 λ (λ=632.8 nm),基本满足了生物成像系统技术指标（主三镜镜面RMS≤λ/40,系统波像差RMS≤λ/10）要求。     

大口径空间反射镜的重力卸载优化方法

针对某Φ1550 mm口径高轻量化反射镜在轨面形误差RMS优于1/50λ （λ=632.8 nm）的高精度要求，为模拟在轨失重状态，降低反射镜光轴水平状态面形检测时重力的影响，对反射镜进行了多点主动支撑式重力卸载参数优化。首先，在反射镜分区的基础上，提出了卸载力大小、支撑点数量及轴向初始位置的确定原则；随后，建立反射镜的有限元模型，以重力与卸载力共同作用下主镜面形RMS优于0.002λ为目标，以卸载力轴向位置为参数进行仿真优化，通过对参数的影响规律分析总结出快速优化要点，实现优化过程的简化；最终使重力引起的面形误差RMS值减小至0.00145λ。将优化后参数应用于反射镜光轴水平状态的面形检测中，测得绕轴0°、120°、240°时面形RMS分别为0.0157λ、0.0161λ及0.0159λ，且面形分布较为一致，说明经卸载后重力对面形的影响被有效消除。所提出的重力卸载优化方法灵活高效，为实现大口径反射镜的高精度光学加工及在轨使用提供保障。     

大口径凹椭球面反射镜光轴偏心测量方法

大口径凹椭球面反射镜光轴偏心会引起遥感相机光学系统失调,导致成像焦面与设计位置偏离。针对此问题,根据反射镜的几何参数设计了基于平晶补偿的消球差系统,通过灵敏度分析计算得到系统中平晶失调1″对系统像差无影响,主镜失调1″带来0.04λ (λ=632.8 nm)的彗差。结合仿真计算的结果,搭建测试光路,并利用经纬仪和激光跟踪仪对反射镜进行偏心测量。误差分析表明:主镜倾斜测量误差约为1.2″,主镜偏心测量误差为0.028 mm,可以满足绝大部分空间遥感相机大口径反射镜的测量需求。     

高次离轴凸非球面反射镜组合加工（特邀）

为提高离轴三反消像散（TMA）光学系统中次镜的制造效率和精度,开展了离轴凸非球面反射镜组合加工和零位检测的研究工作。首先,介绍了方形(298 mm×264 mm)高次离轴凸非球面反射镜的光学参数、技术指标和总体加工路线;其次,提出了铣磨加工工艺策略以及基于气囊和沥青的小磨头组合加工工艺;最后,阐述了光学零件抛光阶段采用的背部透射零位补偿检测法和Offner型零位补偿器,并采用光线追迹法对镜片的零位补偿检验面形畸变进行了矫正,最终面形RMS值为0.025λ （λ=632.8 nm）,满足技术指标要求。上述组合加工工艺和背部透射零位补偿检测方案可以显著提升高次离轴凸非球面反射镜的加工精度和效率。     

Bipod支撑大口径反射镜的零重力面形测试技术

双脚架结构具有静定支撑的特点,可以隔离机械附加载荷,因此成为大口径空间相机反射镜组件的常用支撑形式之一。在地面装调时,采用双脚架支撑的反射镜的面形因重力作用而下降。空间相机入轨后,随着重力变形的释放,反射镜面形会再次发生改变。有限元分析方法评估反射镜组件的重力误差,其精度难以达到高质量高分辨率成像的要求。同时,反射镜加工过程中使用的重力卸载方案也难以沿用至组件阶段。针对重力误差测试过程中装配误差与三叶像差混叠以及检测光路对球差测试精度不足的问题,提出了翻转与卸载相结合的测试方案。基于不同像差的正交性,可以进行分别测试来逐项获取各像差。通过反射镜组建的翻转测试,分离装配误差与重力误差中的三叶像差。设计一定精度的卸载装置,通过卸载前后的对比测试,得到重力造成的球差等旋转对称像差。采取上述方案可以实现对全部重力误差的实测。利用1.3 m口径高轻量化反射镜组件进行了测试验证,其重力误差面形rms和在轨面形rms分别为0.192λ （λ=0.6328 μm）和0.023λ。