1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
随着搭载平台技术的不断进步，对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求，轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题，本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导，得到满足高光谱分辨率、小尺寸要求的自准直系统的初始结构，并逐步进行优化。同时，在狭缝处引入一块平面反射镜，对望远系统进行折叠，避免狭缝与探测器干涉，并进一步压缩系统的尺寸。最终设计的成像光谱仪工作波段为1610~1640 nm，F数优于3，在奈奎斯特频率为 20 lp/mm 时，调制传递函数（MTF）均优于0.8，全视场均方根半径（RMS）均小于7 μm，光谱分辨率均优于0.1 nm。光学系统尺寸优于460 mm×150 mm×150 mm。本文研究为短波红外波段高光谱探测成像光谱仪实现轻量化、小型化设计提供了一定的理论基础。
光学设计 成像光谱仪 自准直 轻小型
1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 大连海事大学信息科技学院，辽宁大连 116026
为解决无人机高光谱成像仪体积大，探测效率低等问题，提出了一种轻小型多模态高分辨率高光谱成像仪。文中主要介绍了高光谱成像仪光学系统设计，数据采集及实时处理模块。通过切换扫描模式满足光谱特性分析，目标检测等不同领域的探测模式需求。采用低畸变、高通量、紧凑型分光光学系统设计实现无人机平台对光谱成像仪的重量要求和探测精度要求。根据设计需求实现产品的加工同时进行了性能测试，其中，MTF达到 0.19，光谱分辨率 3.5～5.4 nm。通过检测多种流水线中的杂质验证系统对实时目标检测的能力。实现结果表明，系统能够实现每秒 2048 pixel×2048 pixel场景的高精度光谱异常目标探测，探测精度优于87%。
高光谱成像系统 无人机平台 多模态 轻小型 hyperspectral imaging system, UAV platform, multim
1 季华实验室，广东佛山528200
2 中国人民解放军96035部队，吉林吉林13101
3 中国科学院大学北京100049
随着量子保密通信网络及产业化发展，轻小型化接收望远镜满足量子跟踪仪规模化和便携式的多应用场景需求。对满足接收望远镜的技术体制进行了对比分析，确定了RC+小像元+量子模块的光学系统形式，采用小F数+微小像元的技术体制。设计了全铝一体化结构的φ280量子跟踪仪接收望远镜，F5的RC望远镜采用RSA-6061微晶铝合金作为反射镜的结构材料，配合一体化硬铝合金高刚性结构，静力学（重力变形和温度变形）仿真分析结果满足近衍射极限成像和高效率量子接收要求，动力学仿真分析结果表明，一阶模态为91 Hz，具有足够高的动态刚度和安全冗余。集成测试结果表明：望远镜的中心视场波像差RMS为λ/14.7，5个视场系统波像差均优于λ/12.7，可以确保近衍射极限高质量信标成像，奈奎斯特频率处的光学传递函数为0.15；HV+-四个偏振态的平均偏振对比度为454，全系统效率为51.93%，可以高质量接收量子密钥；-25 ℃和+30 ℃外场恒星成像实验验证了系统可以稳定、高质量提取质心用于脱靶量闭环；与“墨子号”星地量子密钥分发实验成码为92.9 kb，误码率为1.18%，能够实现高效率量子接收。
量子通信 轻小型 量子跟踪仪 高刚性 量子密钥分发 quantum communication lightweight and miniaturized quantum tracker high rigidity quantum key distribution 光学 精密工程
2023, 31(23): 3426
1 季华实验室 光电科学与技术研究部, 广东 佛山 528200
2 中国人民解放军96035部队, 吉林 吉林, 132101
为了满足精准高效快速部署航天遥感器对轻小型空间相机的迫切需求，对满足轻小型相机成像的光学系统形式及成像体制进行了详细对比分析，确定了RC+补偿组的光学系统形式，采用小F数+微小像元的成像体制。对比美国鸽子相机的详细参数，设计了500 km轨道高度上可实现3.48 m分辨率的轻小型全铝高分相机。详细介绍了相机的总体结构、光学系统、光机结构、成像电子学及热控设计结果，得到F5.6的RC+补偿组光学设计结果。采用RSA-6061微晶铝合金做为相机反射镜的结构材料，配合一体化硬铝合金高刚性结构。静力学（重力变形和温度变形）仿真分析结果满足光学设计公差要求。动力学仿真分析结果表明：一阶模态为302.92 Hz，具有足够高的动态刚度和安全裕度。成像电子学采用3.2 μm大面阵9 K×7 K探测器低噪声小型化设计。相机热控由卫星平台保证20 °C±4 °C的温度水平。集成测试结果表明：(1)相机中心视场波像差RMS为λ/15.6，5个视场系统波像差均优于λ/12.3，可以确保相机近衍射极限高质量成像。实测奈奎斯特频率处的光学传递函数为0.217；(2)相机三方向正弦振动最大处放大1.17倍，整机一阶模态为295 Hz，与仿真结果的偏差为2.61%，相机结构刚度大，力学稳定性好；1×10−4 Pa，16 °C、20 °C、24 °C三个温度工况下成像清晰，可分辨奈奎斯特频率处对应的分辨率板图像；(3)对2 km外目标成像效果良好，图像清晰且灰度层次分明，阴影边界锐利。本文所设计轻小型全铝高分相机在500 km轨道高度上实现了3.48 m分辨率，15 km×15 km幅宽，整机重量为2 kg，结构刚度和强度试验结果满足航天发射场景需要，可以为轻小型甚高分辨率空间相机设计提供理论指导和工程借鉴。
轻小型 高刚性 动态刚度 低噪声 lightweight and compact size high rigidity dynamic stiffness low noise
1 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 苏州大学江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏 苏州 215006
3 苏州大学教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
针对无人机光学载荷宽视场、高分辨、轻小型、实时成像等需求，基于级联光学结构设计了一种折叠式级联相机光学系统。该光学系统主要由前置折叠同心物镜和中继转像透镜阵列组成。前置折叠同心物镜获取宽视场中间像，位于前置折叠同心物镜的同心球面上。中继转像透镜阵列对同心球面上的宽视场中间像进行视场细分、剩余像差精细校正和中继成像。优化设计得到了全视场角为109.6°、瞬时视场为7.8″，筒长仅为107 mm的折叠式级联结构相机光学系统。在全视场范围内，像面上各处光线追迹点列图的均方根半径均小于1.1 μm，在空间频率230 lp/mm处，各视场调制传递函数值大于0.4，系统成像质量接近衍射极限。这种折叠式级联结构无人机机载相机光学系统视场大、分辨率高、结构紧凑，可用于无人机遥感领域，在大视场范围内获得高分辨率光学像的同时，还可实现光学系统的小型化和轻量化，具有广阔的应用前景。
光学设计 折叠式级联光学系统 无人机机载 宽视场 高分辨率 轻小型 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0522004
光学 精密工程
2022, 30(11): 1263
1 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
无人机载光电吊舱对其载荷体积重量的要求苛刻，为了满足8～12.5 μm红外探测需求，设计并实现了一种轻巧紧凑的长波红外光学系统。系统F数为2，口径为150 mm，总视场为2.34°。光学系统采用二次成像折反射式结构，将常用的卡式主系统简化为折叠牛顿式主系统，将球面次镜简化为平面镜折叠光路，轴外像差通过非球面校正镜组校正。主系统采用全铝光机结构，结合后光路的光机材料匹配，在工作环境温度范围内，光学设计传函高于0.41@17 lp/mm，具有100%冷屏效率，而体积仅为Φ152 mm×125 mm。整机装调后，全视场传函高于0.24@17 lp/mm，像质清晰，满足预期。光学系统设计巧妙、结构轻小紧凑、加工装调成本低。设计思路和研制方法可为类似应用的无人机载光电吊舱长波红外仪器的光学系统提供参考。
光学设计 长波红外 折反式 冷屏效率 轻小型 optical design longwave-infrared catadioptric cold stop efficiency light and small 红外与激光工程
2020, 49(9): 20200031
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 北京航空航天大学 惯性技术重点实验室, 北京 100191
3 西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室, 陕西 西安 710049
轻小型多旋翼无人机云台是一种复杂机电伺服系统, 要求兼具轻质量与快响应等机电特性。本文针对传统方法在机电伺服系统中设计的不足, 以轻小型多旋翼无人机云台为研究对象, 提出一种针对系统带宽的机电多目标优化设计方法。方法中, 系统结构部分通过灵敏度分析得到7个尺寸设计参数, 并以一阶模态和质量为目标进行优化; 系统控制部分以速率环和位置环控制器参数为设计变量, 并以上升时间、调节时间和绝对积分误差(Integral Absolute Error, IAE)为目标进行优化。在优化设计中, 将近似模型与多目标遗传算法相结合, 以降低优化复杂度、并提高优化效率及全局寻优能力。对方法进行仿真分析, 结果表明: 相比初始结构系统和控制系统模型, 采用机电多目标优化设计方法后, 结构部分质量降低了8.8%, 控制部分IAE型积分误差、调节时间及上升时间等主要性能参数分别降低了54.8%、81.9%和53.4%。最后采用锤击法对云台结构进行模态实验, 实验得到的一阶模态频率与优化结果的误差为13.4%。说明提出方法可有效实现云台系统机电总体多目标优化。
轻小型云台 机电多目标优化 近似模型 带宽 light and small pan-tilt electromechanical multi-objective optimization approximate model bandwidth 光学 精密工程
2018, 26(11): 2754
1 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
3 天津津航技术物理研究所，天津 300308
针对某星载激光通信中光电跟瞄系统的反射镜组件进行研究，对比了三种柔性支撑方案，结合空间载荷实际应用情景综合评估结构的刚度优势和面形精度。分析结果表明，颈口侧壁开槽的柔性支撑方案在重力和温度变化影响下的面形精度(RMS)可达2.05 nm和8.88 nm，基频模态为926.1Hz，在保证面形精度的柔性要求与高刚度抵御振动损坏的平衡中，这种柔性设计方案最为合理。进一步完成了柔性支撑结构的参数优化设计并进行了动力学分析，频率响应下应力最大值为96 MPa，小于材料的抗拉强度极限；随机振动分析结果表明，反射镜加速度响应均方根为11.14 g RMS，并满足3σ准则。文章最后通过0.2 g正弦扫频试验，验证了有限元模态分析相对误差为2.4%。实验结果表明，分析结果基本准确可靠，柔性环节设计可靠，满足使用要求。
轻小型反射镜 柔性支撑 有限元分析 动态刚度 面形精度。 compact reflector subassembly flexure aupport finite element analysis dynamic stiffness surface figure
1 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院, 北京 100049
2 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100101
介绍一款适用于轻小型无人机的多光谱相机。将多个独立的滤光片依次拼接成滤光片阵列在成像探测器前放置由多个滤光片依次排列而成的滤光片阵列, 一次曝光得到地物目标分条带区域的分波段图像, 通过飞行平台的前向运动获得每个条带区域的多光谱图像。利用平台的前向运动代替了旋转、扫描等机械运动, 减轻了相机重量和体积, 适用于轻小型无人机平台, 由于采用较大的探测器件, 能够获得更多的旁向像素数(约4300)和更宽的旁向幅宽。利用研制的多光谱相机, 在中国科学院怀来遥感站进行了无人机飞行试验, 获取了站区周边的6波段多光谱图像。数据处理结果表明该相机的数据质量能够满足植被指数计算等相关要求。
轻小型无人机 多光谱相机 滤光片阵列 small UAV multispectral camera Filter array
