中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 吉林省智能波前传感与控制重点实验室， 吉林长春130033
为满足大口径主焦点光学望远镜的发展趋势与需求，研究了大口径主焦点式光学系统的设计与装调方法。给出一个大口径主焦点光学系统的设计，该系统由一块非球面主反射镜和六块口径较小的球面透镜组成，六块透镜构成的校正镜组能够增大视场、校正像差，从而保证系统的成像质量。该系统的工作波段为0.4~0.8 μm，通光口径为1 000 mm，焦距为1 300 mm，视场为2.7°×2.7°，在-40~50 ℃内采用移动探测像面的方式实现温度补偿。全视场奈奎斯特频率下调制传递函数高于0.45，RMS弥散斑半径小于10 μm。针对该系统，提出了一种包含主镜被动支撑调整、校正镜定心装调和系统星点成像装调的一般装调方法，装调后系统全视场靶面星点80%能量集中度在3×3个像元以内。
光学设计 光学装调 主焦点式 像质评价 optical design optical alignment prime focus image quality evaluation 光学 精密工程
2022, 30(23): 2987
1 国防科技大学智能科学学院, 湖南 长沙 410073
2 中国人民解放军31636部队, 云南 昆明 650300
夏克-哈特曼传感器是自适应光学中应用最广泛的波前传感器,它不仅可以测量大气湍流引起的畸变,还可以测量由风、温度变化和机械应力产生的镜面位置误差引起的像差。基于夏克-哈特曼传感器,推导了子孔径斜率与装配误差之间的函数关系,提出了一种基于光学系统失调前后点阵光斑质心偏差信息的计算机辅助装调方法,将装配误差求解问题转换成多目标优化问题,可采用多目标智能优化算法进行求解该问题。以某三反光学系统为例,基于Python和Zemax联合仿真进行模拟装调,仿真结果表明,经三次迭代可将失调误差校正到微米级,这可满足实际装调需求,结果验证了所提方法的正确性。
光学设计 计算机辅助装调 夏克-哈特曼传感器 失调计算 主动光学 光学装调 光学学报
2021, 41(20): 2022001
1 中国科学院空天信息创新研究院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
2 中国科学院大学光电学院, 北京 100049
基于曲面棱镜的光谱成像技术是近几年该领域研究的热点,但曲面棱镜前后球面的非共轴特性使得曲面棱镜的装调难度远大于传统共轴光学系统。装调误差是影响成像系统最终成像质量的重要因素,目前曲面棱镜高光谱成像仪的公差分配方法大多以系统调制传递函数(MTF)为评价指标,未考虑装调误差对谱线弯曲、色畸变的影响。利用几何光学方法研究了曲面棱镜谱线弯曲、色畸变的产生机理,构建了曲面棱镜光谱仪谱线弯曲、色畸变与曲面棱镜装调误差关系的数学模型,分析了曲面棱镜装调误差对高光谱成像仪光谱畸变的影响。通过几何光线追迹,对曲面棱镜装调误差的分析结果进行了验证。结果表明,谱线弯曲、色畸变和MTF对曲面棱镜装调误差的敏感程度存在显著差异。为了保证曲面棱镜装调误差引起的系统MTF下降容限在设计值的10%以内,进行了二次公差分配以得到最终公差分配结果,其中公差极限值最小的单项装调公差为X轴方向的倾斜误差,为实际系统的装调提供了参考。
几何光学 成像光谱仪 曲面棱镜 谱线弯曲 色畸变 光学装调
北京空间机电研究所 空间光学工程中心, 北京 100094
在光学系统装调中, 由于光学元件的面型误差、加工误差等影响因素的存在, 使待装调的光学系统的装调失调量并非为一个确定的准值, 而是一个范围值, 在失调量范围内, 可能存在不止一组Zernike系数符合要求, 即以像差值为判据的装调结果的解不唯一, 需要对光学系统的其他参数进行测试判断光学系统在装调阶段是否满足技术要求。介绍了一种在装调过程中, 当各项像差的Zernike系数接近设计时, 利用干涉仪、分划板、五棱镜、经纬仪等设备, 在波前测试光路中采用猫眼效应进行装调过程中的光学系统焦距的测试方法, 通过光学系统的波像差和焦距值两种测试结果判断装调工作是否符合要求。经过实际装调过程中的应用验证了该方法的有效性, 在光学系统的装调过程中将焦距值控制在±0.5%以内。
光学测量 光学装调 焦距测试 猫眼效应 波像差 optical measurement optical alignment focal length measuring cat eye effect wavefront error
中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
提出了一种基于像差特征分析的变焦系统共轴性装调方法。针对某型20倍变焦光学系统的装调，在分析变焦光学系统装调要求的基础上，通过采用光学定心加工技术，提高变焦系统各镜组内光学元件的同轴度；采用Zygo干涉仪，检测变焦系统在长短焦位置的像差特性分布；借助CodeV软件仿真计算各光学元件在系统中的公差灵敏度分布，并确定产生像差影响的敏感光学元件；在中心偏测量仪上，完成最终光学系统像质的调整。此外，还设计了一种变焦光学系统各动组间同轴度调试装置，对变焦相机主镜筒机械内孔轴线与直线导轨的平行性进行了精确测量，保证了动组组元光轴的同轴精度。装调结果表明：变焦系统成像质量有明显改善，像面一致性得到保证，长短焦轴上传递函数值分别优于技术要求值0.45和0.55，长短焦轴外0.7视场传递函数值优于0.25和0.35，实现了高精度装调，验证了该方法的可靠性。
光学装调 变焦系统 定心装配 敏感元件 像差分析 optical alignment zoom system centering assembly sensitive element aberration analysis
由于太阳模拟器可以精确模拟太阳光, 近年来, 越来越多空间环境模拟试验采用太阳模拟器来模拟在轨高温环境。介绍了一个有效光束直径2 m的大型太阳模拟器, 其准直镜由19块正六边形的球面单元镜拼接而成; 分析了球面反射镜光学装调常用方法, 以球心自校准法为基础, 提出一种拼接式反射镜的装调方案; 详述了该拼接式准直镜的装调过程, 拼接后有效口径2 710 mm, 半径13 280 mm; 此外, 还介绍了大气环境下、真空低温环境下和真空热试验过程中大型太阳模拟器主要辐照特性检测方法及装置, 为太阳模拟器在工程中的更好应用提供参考。
太阳模拟器 拼接准直镜 光学装调 辐照特性测试 solar simulator segmented collimator optical alignment radiation characteristics test 红外与激光工程
2019, 48(4): 0417006
1 中国航天系统科学与工程研究院, 北京 100090
2 北京空间机电研究所, 北京 100076
椭球面镜作为反射式镜头主镜的常用类型, 准确、便利地引出其光轴, 在镜头装调过程中是必不可少的。传统的光轴引出方法主要依靠三坐标仪进行测量, 由于其角度拟合精度低、接触式测量和尺寸限制等缺陷, 已经无法满足现下的大口径光学镜头装调需求, 为此, 提出一种新型椭球面主镜光轴引出方法, 该方法通过设计一个平面球差补偿器, 搭建出椭球面镜的无相差面型检测光路, 将椭球面镜的光轴转换为补偿器的法线, 再使用经纬仪测量法线与结构基准间的角度关系, 间接地引出主镜光轴, 光轴引出精度可达1.4″。相较于传统的光轴引出方法, 该方法具有更高的角度测量精度、非接触、无尺寸限制等优点, 适用范围更广。
应用光学 遥感卫星 光轴引出 光学装调 applied optics remote sensing satellite optical axis elicitation optical alignment
1 中国航天系统科学与工程研究院, 北京 100090
2 北京空间机电研究所, 北京 100076
为了能够准确测量同轴三反相机中次镜的倾斜量变化, 提出一种新的角度测量方法, 即用大口径干涉仪与经纬仪相结合进行测量。以主镜为测量基准, 两镜相对倾角较小时, 使用大口径干涉仪同时测量两镜的干涉条纹, 相对倾斜角度过大时次镜无干涉条纹, 加入一台经纬仪分别自准直于干涉仪和次镜, 间接测量两镜相对夹角。通过模拟计算与实验验证表明, 对于次镜组件倾角测量误差可以控制在0.5″以内。结果表明, 该检测方法具有通用性强, 测量精度高等特点, 克服了传统检测方法测量精度不足的问题。
应用光学 遥感卫星 角度测量 光学装调 applied optics remote sensing satellite angular measurement optical alignment
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院研究生院, 北京 100049
针对离轴反射光学系统的精密装调问题, 提出了一种高精度空间交互测量以及基准传递系统, 可实现调焦角度与系统光轴的高精度角度定位。该系统口径为450 mm, 可实现0.5 km至无穷远的调焦, 调焦角度精确定位后, 只需调整无穷远处离轴三反光学系统的波像差满足要求, 即可保证系统各个调焦位置处的波像差均满足设计要求, 大大提高了装调效率。装调实验结果表明, 无穷远处系统的波像差结果为0.09λ, 1.5 km处系统的波像差为0.1λ, 2.5 km处系统的波像差为0.11λ, 0.5 km处系统的波像差为0.2λ, 均优于设计要求。
离轴光学系统 反射式光学系统 光学装调 可调焦 基准传递 off-axis optical system reflective optical system optical alignment focus-adjustable datum transmission
1 云南天文台天文技术实验室, 云南 昆明 650216
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 云南北方驰宏光电有限公司, 云南 昆明 650217
定量分析了云南天文台 1m新真空红外太阳望远镜(简称 NVST), 副镜失调误差对主光轴偏移的影响。以格里高利双反射系统为例, 在综合像质达到衍射极限的前提下, 分析了副镜的离心和倾斜误差分别对光轴带来的影响, 然后分析了两种因素综合作用下, NVST光轴的可能的偏移量。模拟结果表明当副镜离心和倾斜单独存在且分别小于 0.121 mm和 0.01.时, 像质可达衍射限。当副镜离心与倾斜同时存在且耦合, 离心 4.5 mm倾斜 0.392.时, 像质仍可达到衍射限, 光轴已偏移 0.392., 远大于望远镜设计视场 0.083.。因此光轴稳定性是大型望远镜装调的一项必检指标。
红外望远镜 光学装调 光轴偏移 像质 弯沉 灵敏度矩阵 infrared telescope optical system assembly and alignment optic axis deviation image quality deflection sensitivity matrix
