为了提高星敏感器相对孔径, 拓宽探测光谱范围, 文中通过探测器灵敏度模型的计算, 确定了星敏感器光学系统的设计参数, 进而设计了一款基于卫星平台的星敏感器光学镜头。该镜头由7片球面透镜组成, 光谱范围为500~800 nm, 焦距为50 mm, 相对孔径为1/1.25, 视场角为8.45°×8.45°(对角线视场角为11.96°), 总长83.33 mm。镜头采用像方远心光路, 减小了因像面离焦及其他因素引起的测量误差。优化后的镜头畸变小于0.5%, 质心色偏差控制在±2 ?滋m内, 能量集中度(3×3像元内)大于80%, 最大倍率色差为-0.073 ?滋m, 轴外视场的弥散斑能量集中度和轴上视场基本一致。对比不同温度下的光学系统, 焦距变化量很小, 验证了无热化设计要求, 镜头的成像质量良好。

鉴于空间遥感器反射镜组件需要具有高面形精度、高可靠性和高稳定性支撑的性能, 设计了一种应用于天基反射镜的三点背部支撑结构, 该支撑结构包括锥套、柔节和修研垫。对三点背部支撑的支撑原理以及工程实现开展了深入研究。对引起三点背部支撑反射镜组件面形误差变化的误差源进行了归纳总结, 研究了各个误差源引起面形变化的作用机理, 对支撑结构开展相应的设计来缓解各个误差源导致的反射镜的面形精度的变化。首先采用有限元仿真的方法对设计结果开展静、动力学仿真, 然后对加工装配完成的反射镜组件开展了试验测试。测试结果表明, 在工作状态下采用该三点支撑结构的镜组件的面形误差优于λ/60(λ=632.8 nm), 镜体刚体位移小于0.01 mm, 镜体转角小于2″, 质量小于4.5 kg。整个组件具有合理的模态分布, 基频是254 Hz, 大大高于设计要求值120 Hz。镜组件在正弦振动和随机振动下的最大放大倍率为1.73倍, 在正弦振动和随机振动下的最大应力为369 MPa, 远低于选用材料的屈服极限。

为了适应不同视场光谱仪的应用需求, 设计了一款offner型连续变焦中波红外光谱成像系统。该系统引入前置变焦系统实现60~300 mm范围连续变焦, 同时采用光栅型offner 同心结构进行光谱分光及成像, 系统工作波段为3~5 μm, 选用制冷型红外探测器, 系统F#=4.0。根据物像交换原则及光焦度分配原则对前置变焦系统和中继系统的初始结构进行了计算, 并应用zemax软件对各子系统进行优化, 使其满足设计参数要求。最终offner型连续变焦中波红外光谱成像系统的调制传递函数在空间频率33 lp/mm处接近衍射极限, 点列斑均方根半径均小于一个像元大小, 设计的结果显示系统结构简单, 在各个焦距位置及各谱段下, 像质均满足了设计指标要求, 成像质量良好。

傅里叶红外光谱仪(FTIR)光谱响应度的标定工作是FTIR红外光谱精准测量的基础。基于中国计量科学研究院(NIM)的ThermoGage HT9500型高温基准黑体辐射源, 对NIM搭建的FTIR高温黑体红外辐射特性测量系统的光谱响应度, 通过分段线性标定法进行了标定实验。建立并描述了FTIR测量高温黑体红外辐射特性系统响应度函数标定模型, 并通过测量的黑体辐射源在1 273~1 973 K温区、1~14 μm宽频谱内的红外光谱, 对FTIR测量系统的光谱响应度进行了标定实验研究。结果表明: 分段线性标定FTIR红外光谱测量系统方法具有良好可靠性。1 373~1 873 K温区的测量光谱与基于黑体标定的计算光谱在1~14 μm频谱内平均偏差优于1%, 黑体光谱辐射亮度峰值波长上反演得到的黑体计算温度与实际温度偏差优于0.45%。

将光学波片放入激光谐振腔可使振荡模式发生分裂, 测量分裂模的频率差能准确测得波片的相位延迟。基于这一原理, 设计了光路沿竖直方向的相位延迟测量仪, 可根据频率差不同引起振荡模式的变化采用相应测量方法。对半外腔激光器、光强和频差探测单元、控制程序等部分进行了设计说明。为了实现自动化和高精度测量, 系统选定两正交偏振模的等光强点作为工作点, 并补偿初始相位延迟和波片倾斜误差。测试表明, 仪器能够对任意相位延迟的波片自动判定并测量, 对多级波片多次测量的标准差约0.01°, 总的测量不确定度为0.03°(优于λ/10 000), 且只需要测量激光频率差, 具有可溯源性。

激光内雕机在进行激光内雕时, 经常会存在激光“炸点”不均匀的情况, 需要对其进行放大分析, 从而更好地控制激光束的能量。根据企业激光内雕“炸点”观察需求, 设计了一款长工作距变焦显微物镜。玻璃内部的“炸点”观察范围为9~32 mm, 系统采用光学变焦方式, 变焦范围为6~24 mm, 放大倍率为4×~16×, 变倍比为4倍。探测器采用了一款型号为VA-1MG2的1/2 in(1 in=2.54 cm)CCD, 其像元大小为5.5 ?滋m。利用Zemax进行光学系统设计优化, 在截止频率91 lp/mm处, 各组态下各视场的MTF值均大于0.4, 在中心视场和0.7视场处均接近衍射极限。点列图的RMS半径也均小于艾里斑半径, 满足长工作距变焦显微系统的各项指标需求。

红外光学系统在**、航空航天、民用等领域应用越来越广, 系统面临的外界环境复杂多变。只用光学分析软件来评估系统性能的传统方法不仅无法综合考虑不同材料间耦合影响, 也不能较为准确地描述热物理梯度场, 因此对结果的精确性分析略显不足, 而光机热集成分析是综合多物理场作用的有效方法, 涵盖了光学、机械、热学三个方向对系统性能的影响因素。通过研究Zernike多项式拟合算法, 编制了学科间的数据转换程序, 实现了分析模块间的数据传输, 并在热不敏红外系统的设计过程中采用光机热集成分析方法得到高低温工况下的光学系统传递函数, 为指导系统设计改进、提高系统性能提供了有力的理论依据。

全景环带光学系统在机器视觉领域等领域中有广泛的应用, 该类系统不断追求小型化、紧凑化, 并且在保证系统结构紧凑小巧的同时实现大视场探测。针对上述需求对全景环带成像光学系统开展研究, 并在分析全景环带头部单元形式的基础上设计了一款双通道全景环带光学系统。该系统由边缘视场通道以及中心视场通道组成, 两个通道分别由入瞳位置前置式全景环带系统以及中心视场系统进行构建。通过合理的搭配, 最终系统中心视场通道视场范围为0°~18.5°, 边缘视场通道视场范围为38°~83°, 在设计过程中, 使用even-ogive面型对全景环带系统的特定面型进行设计, 并对如何使用该面型进行了描述, 最终所设计的系统的两个视场通道均可在0.486~0.656 μm可见光波段内清晰成像, 光学系统结构紧凑, 成像质量良好, 满足使用需求。

主镜支撑技术一直是大口径望远镜技术的关键技术, 以2 m SiC轻量化主镜为研究对象, 探究了通过力矩校正的半主动支撑方法, 用于校正一些由于加工误差、装配误差等因素引起的一些不可预知的因素所导致的低阶波前像差。首先建立有限元仿真模型, 进行仿真分析, 分别在6处Tripod柔铰处施加两个方向正交的, 大小为1 Nmm的单位校正力Mx和My, 共分析12种工况下的主镜变形情况; 然后利用微小变形的线性叠加原理, 分析计算该力矩校正方法对低阶波前像差的校正能力, 由分析计算可知, 该力矩校正方法对于加工、装配及装调过程中最常出现的倾斜和像散具有很好的校正能力, 可以将初始镜面RMS值归一化为1/10λ(λ=632.8 nm)的像差, 分别校正到0.687 nm和2.97 nm, 校正能力分别为98.9%和95.3%, 所需的最大校正力矩分别为6.3 Nmm和19.9 Nmm; 然后根据主镜的whiffletree支撑结构, 设计了力矩校正结构方案; 最后通过试验验证柔性薄片力矩校正结构形式的可行性, 进而验证半主动支撑力矩校正方案的可行性, 为半主动支撑的工程应用积累了一定的宝贵经验, 具有一定的指导意义。

针对单根光线追迹方法在部分偏振光条件下无法对系统进行全面评价的问题, 基于斯托克斯表示法提出了全视场、全口径光线追迹方法, 通过对原有折射与反射穆勒矩阵表达式的优化, 建立入射光偏振度、光线角度等参量与出射光偏振度的解析关系; 理论分析结果表明, 入射角与折射角的差值控制在5.7°以内, 可以有效减少系统对光线偏振度的影响; 依据空间目标成像需求设计了集成微偏振片阵列的偏振成像系统, 成像分辨率500 km处为0.5 m; 采用动态数据交换机制对光学系统进行全视场、全口径光线追迹, 得到系统斯托克斯矢量及偏振度的全视场分布, 实现对系统任意视场偏振度的标定, 提升偏振探测精度。亦可通过任意视场与中心视场偏振度匹配入射光偏振度, 反演目标。