空间光学遥感器光学镜面有限元分析结果的后处理

自由曲面在空间光学中的应用在当今的生活中，自由曲面（Free-form）扮演着越来越重要的角色。

如汽车车身、飞机机翼和轮船船体的曲线和曲面都是自由曲面。

到底什么是自由曲面？简单来讲，在工业上我们认为就是不能用初等解析函数完全清楚的表达全部形状，需要构造新的函数来进行研究；在光学系统中，光学自由曲面没有严格确切的定义，通常是指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。

在我们的日常生活中，打印机、复印机以及彩色CRT中都会用到光学自由曲面。

鉴于光学自由曲面在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，所以，以下就自由曲面在空间光学方面的情况进行了调研。

一、自由曲面简介光学自由曲面没有严格确切的定义，通常指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。

光学自由曲面已经渗透到我们生活中的各个角落，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼镜，就是自由曲面技术在眼用光学镜片中的成功应用。

自由曲面光学镜片主要有两种：一是自然形成的曲面；二是人工形成的曲面。

人工形成的自由曲面又分为一次成型和加工成型两种形式。

二、自由曲面运用的原因空间遥感光学系统是在离地200km（低轨卫星）以上的轨道对地面目标或空间目标进行光学信息获取，具有遥感成像距离远的特点。

如何在几百公里遥感距离下获得较高分辨率的同时保证较宽的成像幅宽是推动空间遥感光学不断发展的源动力。

光学系统的入瞳直径是决定空间相机地面像元分辨率的主要因素之一，在一定F／＃的前提下，入瞳直径越大，空间相机地面像元分辨率越高。

但入瞳直径的增加，意味着所有与孔径相关的像差增加。

受空间环境中力学、热学、压力等因素的制约，当入瞳直径增大到一定程度（通常200mm以上），光学系统一般采用反射式或折反射式方案。

为了简化光学系统形式，仅采用球面镜是无法平衡由于入瞳直径增加而剧增的像差，然而通过运用自由曲面的应用，可以解决像差增大的问题。

3.7～4.8µm红外二次成像折反射式光学系统设计李 卓，叶宗民，孙保杰，刘文鹏（中国人民解放军91404部队，河北秦皇岛 066000）摘要：为满足小、远目标和空间目标的光学特性测量需求，提出以RC结构为设计基础，通过曲线方程和高斯公式确立反射式光学系统初始结构参数。

为达到优化设计目的，结构中引入了二次成像中继镜组，解决了100%冷光阑效率问题。

通过ZEMAX建立评价函数，仿真测试表明：设计完成的红外二次成像折反射式光学系统口径200mm，焦距380mm，结构紧凑简单，成像质量满足实际测量需求。

关键词：中波红外；光学系统设计；折反射式光学系统；二次成像中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2021)12-1193-05Design of a 3.7～4.8µm Catadioptric Secondary Imaging MWIR Optical Sy s temLI Zhuo，YE Zongmin，SUN Baojie，LIU Wenpeng(PLA Unit 91404, Qinhuangdao 066000, China)Abstract: The system is based on an RC structure to measure the optical characteristics of small targets and space targets. The initial structure of the reflective optical system was established by calculating the curve equation and the Gaussian formula. The re-imaging relay lens group was introduced into the structure of the system to realize the optimal design, which solves the problem of 100% cold diaphragm efficiency. The imaging quality was evaluated using Zemax, and a system with a focal length of 380 mm and a diameter of 200mm is not only compact and simple, it also meets the actual measurement requirements.Key words: MWIR, optical system design, reflective optical system, re-imaging0引言目前，空间目标的光学特性测量、侦查预警及目标识别等方面的研究逐渐受到各国军方的关注与重视。

改进的离轴三反光学系统的设计赵文才【摘要】基于离轴三反光学系统(TMA)的一般设计方法,总结了设计要点.以两个基于三反光学系统的设计为实例,阐述了通过合理地安排光学结构、将次镜设计为球面反射镜、主镜和三镜在球面基础上改变高次非球面系数等,可使离轴三反光学系统的设计结果接近衍射极限,传递函数在50 lp/mm时都接近0.6,Strehl率由通常的0.91提高到0.93.与传统离轴三反系统相比,相机加工公差和面形加工公差从原来的λ/50放宽到λ/40,主、次、三镜的装调公差放宽了4倍.文中的设计降低了相机的加工及装调难度,有助于系统光学特性实现衍射极限,为三反光学系统的广泛应用提供了借鉴和实用参考.%The key design of off-axial Three-mirror Anastigmat (TMA) systems was summarized, and an improved design of the off-axial TMA optical systems was proposed with a new optical structure. By taking two designed systems for examples, the optical elements of the TMA system were reasonably arranged, the secondary mirror was designed as a spherical surface, and the primary and the third mirrors were optimized with high-order aspheric coefficients. Obtained results show that the Modulation Transform Function(MTF) curve of the designed system approaches to the optical diffraction limit with an improved value of 0. 6 at the spatial frequency of 50 pl/mm. Compared with the common off-axial TMA optical system, the Strehl ratio can be increased from 0. 91 to 0. 93. The surface tolerance is relaxed from λ/50 to λ/40, and the assembling tolerances of the primary mirror, sec ond mirror and the third mirror can be relaxed by a factor of 4. The improved designmakes the manufacture and assembly of the off-axial TMA optical system much easier, and helps the system to achieve excellent performance in the level of optical diffraction limit. These are beneficial to the popularization of off-axial TMA optical systems.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)012【总页数】7页(P2837-2843)【关键词】空间光学遥感器;光学设计;离轴三反光学系统;光学加工;光学装调【作者】赵文才【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TP73;TH7031 引言无论在军事还是民用领域，高分辨率空间遥感都有广阔的应用前景，目前其主要形式仍是通过光学相机对地观测。

第一章1.本MOOC课程的主要内容是物理光学实验和部分实验的虚拟仿真及分析。

（）答案:对2.光是一种电磁波。

（）答案:对3.任何物质都具有波动性。

（）答案:对4.学习“物理光学”通常要关注的几个方面包括（）答案:光的空间频谱与空间分布;光波特性，光速（折射率）;光的偏振;光的干涉和衍射;光的界面效应：菲涅尔反射系数5.迈克尔逊干涉光路也可用作光谱仪。

（）答案:对6.拿起光学元件时，绝不允许触摸工作面/光学表面/镜面，而只能拿住磨砂毛面，最主要原因是（）答案:光学表面会被指纹、汗液等污染甚至损坏7.下列哪一项不是激光的主要特性（）。

答案:光谱较宽8.激光安全等级在哪一级或以上，使用时必须佩戴相应防护眼镜（）。

答案:3级9.下列哪些项，可能是“进行激光实验中光学元件不可手持而必须固定”的原因（）。

答案:防止激光方向不可控，被反射照到其他同学;防止手部抖动影响后续光路方向;防止手持不稳而摔坏元件10.实验室若发生火灾，应切断总电源后，返回实验室抢救贵重仪器设备（）。

答案:错第二章1.在F-P干涉仪测量低压钠灯波长差的实验中，低压钠灯的灯管与光阑面共轭；若在低压钠灯前面加入毛玻璃，那么光阑需要往哪个方向移动才能与低压钠灯再次共轭？（）答案:沿光轴往远离低压钠灯的方向移动2.在迈克尔逊实验中，出现或消失一个等倾圆环表示光程差变化：（）答案:1个波长3.在迈克尔逊干涉仪上观察白光干涉图案，程差从0逐渐增大，将出现：（）答案:随着程差增大条纹颜色依次为：白色、黄色、红色、紫色、红色……4.请将单纵模激光器、氦氖激光器、荧光灯、白炽灯这4种光源的相干长度由短到长排列：（）答案:白炽灯，荧光灯，氦氖激光器，单纵模激光器5.在以下的4种仪器中，哪些仪器采用分振幅法干涉？（）答案:平行平板横向剪切干涉仪;斐索共路干涉仪;泰曼-格林干涉仪;迈克尔逊干涉仪6.以下哪些检测方法或现象是基于干涉的原理？（）答案:泡泡机吹出来的彩色肥皂泡;光学车间靠样板检测透镜表面;雨天地上的彩色油膜7.观看视频后可以得出结论，在干涉实验中所使用的干涉仪都采用了分振幅法来对光波进行分离。

光学天文望远镜结构设计及性能分析研究一、背景介绍光学天文望远镜作为天文学中最常用的观测工具之一，已经成为了现代天文学研究中不可或缺的组成部分。

光学望远镜利用天然光线在折射、反射、聚焦等方面的特性，可以使天体物理学的研究者们在研究恒星、行星、银河系等天体时，获得清晰而准确的观测结果。

在光学望远镜的结构和性能设计方面，需要综合考虑各种物理因素和技术因素，以达到最优的性能。

二、光学天文望远镜结构设计光学天文望远镜的结构设计主要包括望远镜主体、支架、平台、辅助设备等三个方面。

其中，主体是光学天文望远镜重要的组成部分，一般包括镜筒、镜盘、鏡片等。

1. 镜筒镜筒是光学望远镜的主体，一般由钢筋、钢板等材料制成。

镜筒的主要功能是将光束能最大地聚焦，达到更好的观测效果。

此外，还需要考虑镜筒的稳定性、振动等因素。

2. 镜盘镜盘是光学望远镜的重要组成部分，是支撑鏡片的核心。

一般由铝合金或有机玻璃等材料制成。

因为镜盘对光束聚焦的影响较大，所以设计时需要考虑材料的质量和表面精度，以保证望远镜的观测性能。

3. 镜片镜片是光学望远镜的核心部分，负责对光线进行折射和反射，使光线能够在焦点处集中，从而实现更准确的观测。

常用的材料有石英、硼硅玻璃等。

三、性能分析研究光学天文望远镜的性能与其结构设计密不可分，影响性能的因素主要包括镜面精度、镜面表面质量和光学设计等几个方面。

1. 镜面精度镜面精度是评价光学望远镜性能的重要因素之一。

它的准确度和表面精度会直接影响到望远镜的空间分辨率。

为了提高镜面精度，需要采用多种技术手段来进行研磨和加工。

同时，加强对镜体的检验和监测，以及对望远镜的镜面保养和维护，也是保证长期稳定性和性能的重要因素。

2. 镜面表面质量光学望远镜的表面质量也是影响性能的重要因素。

表面的平整度、光洁度、清洁度等都会影响到光线的聚焦质量和影像的清晰度。

因此，在望远镜的表面处理方面，需要充分考虑表面粗糙度和清洁度等因素，并采用适当的技术手段进行表面处理和保养。

离轴三反空间相机的焦距测量谭进国;何欣【摘要】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.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2014(036)004【总页数】4页(P287-290)【关键词】离轴三反系统;空间相机;焦距测量【作者】谭进国;何欣【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033【正文语种】中文【中图分类】TH122引言随着空间对地观测技术的不断发展，各国都对空间光学遥感相机提出了新的要求，即轻型、宽覆盖、高分辨率。

离轴三反射镜消像散（TMA）光学系统正是由于长焦距兼大视场，并且无中心遮拦，符合人们对空间光学相机新的需求，并逐步取代传统的同轴光学系统遥感相机，在航空、航天领域得到了广泛的应用［1－3］。

在空间相机研制过程中，完成光学系统的装调及光学镜头的装配后，需要对光学镜头的焦距、相对孔径、光学传递函数等几何参数、成像质量进行测试，判定是否满足设计要求。

本文将对两种经典的焦距测量方法进行对比分析，选择适用于空间相机的焦距测量方法，对相应的焦距计算公式进行修正使其适用于离轴三反光学系统；并以某空间相机为例，论述离轴三反光学系统焦距测量的方法及步骤。

1 离轴三反光学系统焦距测量方法及焦距计算公式修正1.1 光学系统经典的焦距测量方法光学系统经典的焦距测量方法有两种，分别是放大率法和测角法。

放大率法测量焦距原理图如图1所示。

学科、专业介绍天体物理（天文仪器与技术）专业代码：070401天文仪器与技术学科系天文学分支学科之一，是光、机、电、计算机等综合技术学科，天文仪器属重型精密机械仪器，其光学系统包含精度要求很高的非球面光学镜面，又要实现精度高、自动化程度高的计算机自动控制，研制难度大、目前世界上只有少数国家能独立研制。

天文仪器包含有恒星物理观测仪器、太阳物理观测仪器、人造卫星观测仪器、天体物理观测仪器、球载与空间观测仪器、天文科学普及观测仪器以及各种天文仪器的终端仪器。

该学科主要通过应用现代高新技术，结合国家需求对用于科学工程、科学实验及国防建设各类天文仪器及相关仪器、技术的研制和研究，实现对天文仪器与技术的探索与发展。

本学科的研究涉及天文学、应用光学、物理光学、光学仪器、光学测量、精密机械、机械设计与制造、自动控制、电子技术、计算机技术及应用等相关专业、是一门综合性的技术学科，适宜大学理工科的上述专业的学生报考。

学科主要研究方向及其特色如下：1、天文光学及天文光学新技术天文学是一门实测科学，可以说没有天文仪器和技术的发展，就没有天文学的发展。

自现代天文学产生的近四百年来，天文光学及新技术就是天文学的重要基础。

天文光学是综合天文学和光学的一门特殊的学科。

它包括研究新概念的天文光学系统，天文光学系统的优化设计，主动光学、自适应光学、恒星光干涉等高分辨成像新技术，大口径天文非球面的特殊工艺和检测技术、光纤光谱和高分辨光谱技术。

天文光学及其新技术是天文望远镜和天文仪器的核心和龙头。

其具体的研究工作如，用科学的方法去研究、创造新概念的天文光学系统；运用与创新光学自动设计方法并用其优化天文光学系统的像质；应用主动光学技术、自适应光学技术减轻望远镜的重量及其光学镜面的加工难度从而大幅度的降低大型天文仪器的造价；开展恒星光干涉等高分辨成像技术的研究，最大限度地提高天文望远镜的空间分辨能力以便进一步的观测天体的形状和结构细节；为了记录来自天体的光子信息，从中分析天体的物理和化学状态，所以除了望远镜外，还需发展其终端附属仪器和设备去配合研究，如探测器、光谱仪等，中国的光学望远镜的终端设备是从光度计、光谱仪开始的，今天依然是天文观测的重要手段，光学光谱包含着遥远天体丰富的物理信息，所以发展多光纤光谱技术，研制新型的光谱仪仍是一项重要的任务；光学成像质量是光学天文望远镜的的主要指标之一，天文学的研究需要口径越来越大的天文光学/红外望远镜，因此要求天文光学镜面的尺寸越来越大，厚度越来越薄，非球面度越来越深，精度越来越高。

第 31 卷第 6 期2023 年 3 月Vol.31 No.6Mar. 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering航天光学相机微振动的光机集成分析现状与展望马斌1，2，3，宗易昕4，李宗轩1，3*，李清雅1，3，张德福1，3，李云峰1，2，3（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.中国科学院天基动态快速光学成像技术重点实验室，吉林长春 130033；4.中国科学院前沿科学与教育局，北京101408）摘要：随着我国航天事业的持续发展和不断进步，航天光学相机正在朝着大口径、大视场、高分辨、轻量化的趋势发展，这对相机的设计分析提出了更高的要求。

光学系统焦距与光学口径不断增加，光机系统刚度受质量限制提升空间有限，其对星上活动部件在轨正常工作所引起的微振动也越来越敏感。

航天光学相机的微振动对其在轨成像质量会造成影响。

因此，近年来卫星微振动及其控制问题越来越受到关注。

通过对国内外航天光学相机的光机集成分析方法的论述与分析，探讨了目前光机集成分析的关键技术与发展方向。

针对目前国内光机集成分析其存在的局限，提出了建立微振动传递全链路数学模型进而构建航天光学相机微振动像质退化机理的设想。

关键词：微振动；航天光学相机；线性状态空间；光机集成中图分类号：V19 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233106.0822Status and prospect of opto-mechanical integration analysis of micro-vibration in aerospace optical cameras MA Bin1，2，3， ZONG Yixin4，LI Zongxuan1，3*，LI Qingya1，3，ZHANG Defu1，3，LI Yunfeng1，2，3（1.Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033， China；2.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China；3.Key Laboratory of Space-Based Dynamic Fast Optical Imaging Technology，Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China；4. Bureau of Frontier Science and Education， Chinese Academy of Sciences， Beijing 101408， China）* Corresponding author， E-mail： lizongx@Abstract： With the continuous development and progress of China’s aerospace industry， aerospace opti⁃cal cameras are becoming more lightweight with large apertures， large fields of view， and high resolution，which results in higher requirements for their design and analysis. The focal length and optical aperture of optical systems continue to increase，whereas the stiffness of optical mechanical systems is limited by mass.They are also increasingly sensitive to micro-vibrations caused by the normal operation of moving satellite parts in orbit. The micro-vibration of space optical cameras affects their imaging quality in orbit.文章编号1004-924X（2023）06-0822-17收稿日期：2022-05-25；修订日期：2022-06-15.基金项目：吉林省科技发展计划资助项目（No.20200201294JC）第 6 期马斌，等：航天光学相机微振动的光机集成分析现状与展望Therefore，in recent years，satellite micro vibration and its control have attracted increasing attention. Based on discussions and analyses of the optical mechanical integration analysis methods of aerospace opti⁃cal cameras at home and abroad， the key technologies and development directions of optical mechanical in⁃tegration analysis are discussed. In view of the limitations of optical mechanical integration analysis in Chi⁃na， this study proposes the idea of establishing a mathematical model of the entire link of micro-vibration transmission and then constructing the degradation mechanism of the micro-vibration image quality of space optical cameras.Key words： micro-vibration； aerospace optical camera； linear state space； opto-mechanical integration1 引言航天光学相机通常作为载荷元件搭载于卫星平台上。

使用lighttools进行优化设计的流程简述一、优化设计的概念说到光学设计，大家可能会想起那些复杂的透镜、镜面、光束反射之类的专业名词。

是的，光学设计确实有点儿“高大上”，但优化设计就像是在为一个舞台剧挑选最合适的演员和道具，目的是让整体表现达到最佳效果。

想象一下，如果你在设计一个灯具，灯光得好看，照射的角度得精准，光线分布得均匀——这就是我们所说的优化设计。

说白了，光学设计的优化就是在已有的框架下，如何用最合适的方式调整各种参数，让整个系统表现得像是一个精心编排的舞蹈，流畅、精确、没有一丝瑕疵。

当你拿到LightTools这款软件，就像拿到了一个超级工具箱。

这个工具箱里有各种各样的工具，帮助你分析光的传播、折射、反射、吸收，甚至是光学元件的几何形状，都是它的“拿手好戏”。

通过这些工具，你可以把设计中的一些不完美的地方修整一下，确保光线的路径和效果达到了预期的要求。

如果说光学设计是个“厨房”，那么LightTools就是你的“大厨”，它能帮你炒、煮、蒸、炸，一手包办，保证味道正宗，色香味俱全。

二、LightTools优化流程讲清楚了优化设计的意义，我们就来聊聊如何通过LightTools来实现这个目标。

大家要明白，光学优化设计可不是“蒙头就干”的活儿，你得先知道自己想要什么目标，知道最终效果是什么，才能有的放矢。

这就像你去餐厅点菜，得先告诉服务员你喜欢吃什么，才能有精准的菜品推荐。

1.模型构建：得有个“模型”作为基础，这就像是建房子之前得先有图纸。

使用LightTools，你可以选择已有的光学元件模型，或者自己画出你想要的形状。

镜面、透镜、反射器、光纤……你只要想得到，几乎都能在里面找到对应的工具。

你要把这些“光学砖块”摆成合适的结构，类似给房子打好地基。

2.设定优化目标：接下来的步骤就像是你去餐厅点菜了，选择目标参数非常关键。

你可能希望光线通过某个透镜后，照射到某个特定区域；或者是希望反射的光束可以均匀分布，不留下死角。