针对自由曲面面型所引起的偏振像差对系统的成像质量和测量精度的影响不可忽略,基于琼斯表示法提出含有条纹泽尼克多项式的自由曲面离轴光学系统的偏振像差分析方法,构建自由曲面反射光学系统的偏振像差解析模型,分析条纹泽尼克多项式中Z₅和Z₆项对视场离轴光学系统偏振像差分布的影响。通过全视场偏振光线追迹验证自由曲面对视场离轴光学系统的相位像差、相位延迟和二向衰减三种偏振像差的作用规律。针对含有自由曲面的大视场离轴三反光学系统进行全视场偏振像差分析。分析结果表明,相位像差分布与自由曲面面型矢高分布一致,二向衰减和相位延迟均为系统总体的50%。

设计了一款大线视场离轴三反光学系统, 系统焦距1 200 mm, 相对孔径1:12, 视场角30°×1°。设计中, 第三反射镜应用了x-y多项式光学自由曲面提升系统设计自由度, 为便于装调, 保证关于子午面像质对称, 对x-y多项式自由曲面表达式进行了修正。设计结果得出, 该系统光学传递函数均优于0.45@50 lp/mm, 工作视场内, 系统最大波像差为0.056λ, 平均波像差RMS值为0.036λ, 最大畸变值为0.8%, 像质相对于子午面完全对称。系统进行了合理的公差分配, 蒙特卡罗分析结果显示, 该光学系统最终可实现平均波像差优于λ/14的成像质量。该系统的设计对空间遥感器光学系统的设计具有一定的参考价值, 适合作为大幅宽推扫成像系统。

为了补偿空间相机因所处复杂运载环境和空间运行环境导致的焦平面偏移, 研制了一套利用均力输出组件驱动, 正反双曲柄滑块机构传动, 直动组件导向的新型高精度调焦机构。介绍了其结构组成和运动原理, 并对其误差来源及影响因素进行了深入分析。该调焦机构采用两点支撑方式, 两支撑点均力输出且无同步性误差, 机构内应力小, 运行平稳, 调焦精度高; 运动副采用预压消间隙措施, 有效消除配合间隙, 无空回, 重复精度高。在模拟空间环境条件下, 对其各项参数进行了测试。试验结果表明, 该调焦机构可在±1.77 mm间调焦, 直线定位精度大于±8 μm, 重复性优于±2 μm; 同步性误差小于±4 μm, 重复性优于±3 μm; 调焦行程范围内调焦反射镜转角精度优于±5″, 重复性优于±1.5″。得到的结果能够满足空间相机在复杂空间环境下的成像需求。

在空间大口径离轴光学系统中, 畸变的存在严重影响其定位精度的提高。为提高该系统的定位精度, 对其畸变特性进行了研究。在研究中发现, 大口径离轴反射系统的畸变特性不同于传统的径向畸变模型。因此, 传统的畸变校正方法对于大口径离轴反射系统不再适用。对该离轴系统的畸变校正进行了研究, 提出了一种利用二维拉格朗日插值法对离轴系统畸变进行校正的方法。在系统设计阶段, 利用计算机仿真的方法, 对该校正方法进行了研究, 分析和讨论了校正结果。仿真结果表明, 该方法的校正精度能满足实际要求。这种方法在对大口径离轴系统的畸变校正中具有普遍的实用性。

提出通过光瞳和视场离轴,实现无中心遮拦的离轴反射式光学系统设计方法.在同轴三反射光学系统基础上,将光瞳和视场适当离轴,实现镜间遮拦的消除.分主镜或次镜为系统孔径光阑两种情况,导出同轴三反射光学系统初级像差公式和初始结构参数计算公式.由三反射系统成像性质,进一步总结无焦光路条件.根据设计理论计算离轴三反射系统初始结构,利用Zemax优化得到无中心遮拦的离轴三反射空间观测望远镜.入瞳320mm,视场(±0.3°)×(±0.6°),焦距1800mm.

在分析了红外光学系统的设计要求的基础上,研究采用衍射光学元件,实现红外反射衍射离轴混合光学系统的设计方法。具体设计结果表明,这样的光学系统结构简单,具有优良的综合光学性能。