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
为保证大口径离轴三反消像散（Three-Mirror Anastigmat，TMA）光学系统在轨成像质量，探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理，以矢量像差理论为基础，用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差，并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现，位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散；提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式，以系统出瞳波像差RMS值为评价标准，构建离轴TMA系统像差补偿模型，利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时，所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ；系统三镜存在0.05λ像散与彗差时，可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ，且当三镜面形误差在（−0.03λ，0.03λ）范围内时，可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值，使系统成像质量满足要求，为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。
离轴三反消像散 矢量像差理论 像差补偿 波像差 off-axis three-mirror anastigmat nodal aberration theory figure error compensation wavefront error 红外与激光工程
2023, 52(4): 20230053
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
3 航天东方红卫星有限公司, 北京 100094
针对大视场空间相机的像移补偿, 建立了基于坐标变换和姿态动力学的离轴三反大视场空间相机通用像移速度场模型。建模过程中考虑了离轴三反光学系统的离轴角对像移模型的影响, 推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例, 分析了3种典型成像姿态下焦面像移速度和偏流角的分布特点, 研究了卫星姿态稳定度对相机成像质量的影响。分析表明, 卫星三轴姿态稳定度的降低会导致相机焦面动态传递函数(MTF)下降, 其中俯仰姿态稳定度对焦面动态MTF的影响最大; 并且随着积分级数增加, 下降会愈发明显。相机侧摆姿态成像时, 对卫星姿态稳定度的要求更高。以传递函数下降5%为限, 积分级数为96级的大视场空间相机, 要求卫星姿态稳定度控制在0.001(°)/s以内。实验结果验证了文中对卫星姿态稳定度的分析, 证明了像移速度场模型的准确性, 为大视场空间相机像移补偿提供了可靠依据。
空间相机 离轴三反光学系统 像移补偿 像移速度场 卫星姿态稳定度 调制传递函数 space camera off-axis three mirror anastigmat system image motion compensation image motion velocity field satellite attitude stability Modulation Transfer Function(MTF)
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春130033
离轴三反光学系统的焦距是空间相机的重要指标之一,离轴三反空间相机在完成光学系统装调及光学镜头装配后需要进行焦距测量。通过对两种经典的焦距测量方法即放大率法和测角法进行对比分析,选用测角法作为焦距的测量方法,同时对用于同轴光学系统的焦距测量公式增加离轴角修正量使其适用于离轴三反光学系统,并以某离轴三反空间相机为例论述焦距测量方法及步骤。由修正后的焦距计算公式计算出相机的焦距为8 010 mm,证实了该测量方法的可行性。
离轴三反系统 空间相机 焦距测量 off-axis three-mirror anastigmat(TMA)system space camera focal length measurement
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
对离轴三反测绘相机的像移模型进行了必要的修正以获得高的测绘精度。对两线阵离轴三反航天测绘相机进行建模, 推导了考虑地球曲率的斜视和后视相机的像移速度和偏流角计算公式。以交会角为25°的离轴三反航天测绘相机为例, 分析了斜视相机以正视为准调整行周期和偏流角, 以及兼顾正视、斜视相机调整偏流角时, 像移速度匹配残差和偏流角调整残差对图像质量的影响。分析结果表明, 以调制传递函数下降5%为约束,当积分级数大于5时, 应分别调整斜视和正视相机的行周期; 按正视相机调整斜视相机的偏流角时, 积分级数应取71以内; 若兼顾正视、斜视相机调整偏流角, 当积分级数为96时, 对正视、斜视相机的成像质量无本质影响。
离轴三反系统 航天测绘相机 像移 偏流角 地球曲率 像质 off-axis Three Mirror Anastigmat(TMA)system aerospace mapping camera image motion drift angle earth curvature image quality
1 长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
由三块反射镜组成的光学系统在轨道空间微重力的影响下，其反射镜面间隔、曲率半径往往发生改变，对系统的后截距产生较大的影响，最终导致相机离焦，成像质量下降。通过分析三反系统的等效高斯光学系统，得到其后截距公式；通过齐次坐标变换，得到反射镜面刚体位移公式；通过采用最小二乘算法拟合计算得到微重力环境下的镜面半径，计算出相机在空间环境下的离焦量为004 mm，为调焦机构的设计提供了理论依据。
空间相机 离轴三反相机 空间微重力 离焦 space camera off-axis three-mirror anastigmat camera space microgravity defocus
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 长春工业大学 机电工程学院, 吉林 长春 130012
空间相机受所处复杂运载环境(冲击、振动、过载)和空间运行环境(压力、温度、微重力)的影响易产生焦平面偏移。为提高成像质量, 本文设计了一种利用丝杠螺母变向、直线导轨导向、倾斜导轨驱动且适用于反射式光学系统的新型高精度调焦机构来修正离焦量。 该设计采用防冷焊措施、预压消间隙措施和双重防卡死设计, 有效地提高了结构强度、刚度和可靠性, 从而保证了调焦精度。介绍了其结构和工作原理, 描述了相应的可靠性设计措施, 最后通过精度检测试验对调焦机构进行了综合性能测试。试验结果表明: 该调焦机构具备良好的自锁特性, 其直线运动精度优于±2 μm, 重复定位精度优于±1 μm; 调焦行程范围内调焦反射镜摆角精度绕X轴和Y轴方向均优于±3.5″, 满足用户提出的精度要求。
斜面驱动 调焦机构 离轴三反系统 空间相机 inclined plane driving focusing mechanism off-axis Three Mirror Anastigmat(TMA) system space camera
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
为了精确计算离轴三反相机的焦距以保证其测绘精度，对经典测绘模型和相关公式进行了必要的修正。首先，重新定义了离轴三反测绘相机的交会角，并对经典焦距计算公式做了修正; 其次，分析了地球曲率对离轴三反测绘相机焦距计算的影响，进一步修正了焦距计算公式。实例计算表明：当要求地面像元分辨率为2 m，在CCD像元尺寸为8 μm，轨道高度为700 km，离轴角为7°条件下，应用经典计算公式得出的斜视相机焦距与应用修正后的计算公式所得出的斜视相机焦距相对偏差达到2.6%，说明对测绘精度影响很大。因此，在采用离轴三反相机进行摄影测量时，斜视相机焦距的计算应考虑离轴角后对经典公式进行必要的修正，而正视相机的焦距计算可以沿用经典计算公式。
离轴三反相机 航天测绘 焦距测量 地球曲率 off-axis Three Mirror Anastigmat(TMA) camera aerospace mapping focal length measurement earth curvature
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
针对测绘相机对相机成像质量和内方位元素稳定性的要求, 在分析3种调焦方式特点的基础上, 确定了符合离轴三反测绘相机需要的调焦方式。设计了滚珠丝杠驱动的直线导轨式调焦机构, 计算得到调焦机构的灵敏度为02 μm。对该调焦机构进行了精度检测和试验验证, 结果显示其指向精度＜2″,定位精度＜3 μm。得到的结果表明: 该空间调焦机构具有结构紧凑、刚度高、位移精度好等特点,能够满足离轴三反测绘相机的调焦要求。
离轴三反测绘相机 调焦机构 调焦精度 光学设计 off-axis Three Mirror Anastigmat(TMA) mapping came focusing mechanism focusing accuracy optical design
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130022
为满足复杂航天光学系统对精度的要求，克服传统基准传递技术与计算机辅助装调技术对多于3片反射镜的复杂光学系统进行装调时存在的局限性，提出了两种技术相结合的装调方法。采用提出的方法对三镜消像散(TMA)空间相机进行了装调，结果显示：三镜在Y向和Z向的失调量分别由18651和9879 mm降低到1036和0102 mm，系统波前差达到全视场平均值1/14λ(RMS)。结果证明：此方法能有效缩短装调时间并达到系统要求的精度指标，对于多镜复杂光学系统装调具有指导和参考价值。
空间光学 计算机辅助装调 三镜消象散系统 定心 失调 space optics computer aided adjustment off-axis Three-mirror Anastigmat(TMA) system centering misalignment
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 长春工业大学 机电工程学院, 吉林 长春130012
为了使大孔径长条形空间反射镜支撑结构同时满足高刚度、高强度和良好的热尺寸稳定性要求, 建立了反射镜支撑系统的模态解析数学模型, 并对该模型所描述的反射镜沿各轴向的平动和转动模态特性进行了研究。根据模态解析解得出3个支撑点确保质量分布相对均匀时, 系统的动-静态刚度最大的结论, 并结合有限元分析技术确定了反射镜的支撑位置。此外, 在支撑结构中设置了柔性环节, 改善了反射镜在各工况下所受的应力环境以确保其光学性能。通过优化柔性铰链最薄处的厚度和圆弧半径两个参数来调节反射镜的面形精度, 使面形精度满足设计要求。分析及试验结果表明: 柔性铰链最薄处厚度为4 mm, 圆弧半径为2 mm时, 反射镜在重力和4℃均匀温升工况下的面形精度RMS值均优于12.3 nm; 组件实际一阶固有频率为146 Hz, 与有限元分析结果的误差小于5%; 柔性支撑结构动态应力响应远小于材料的屈服极限, 完全满足反射镜结构系统的设计要求。
空间遥感器 离轴三反 主镜 柔性支撑 有限元分析 space remote sensor off-axis three mirror anastigmat primary mirror flexible support finite element analysis
