摘要：针对航空机载平台对长焦距、紧凑型光学系统的需求,研究采用改进型的R-C主次反射镜接球面校正透镜组的结构形式,校正了全视场下的球差、彗差及色差等像差,设计了长焦距、高分辨率的紧凑型折反射式光学系统。系统焦距为1500 mm,全视场角为2°,光学系统结构包络直径不大于φ400 mm,全视场传递函数优于0.56@62.5 lp/mm,成像质量接近衍射极限。为提高装调效率,降低装调难度,设计实现了R-C主次反射镜中心及附近视场的成像质量达到衍射极限。基于光学干涉检测技术与计算机辅助装调理论,建立系统失调量与像差之间映射关系的灵敏度矩阵,分析失调光学系统的像差特性,并在此基础上设计了精确测量波前、反演失调量的精密光学装调方案。整机装调后光学系统全视场波像差RMS优于1/13λ,达到成像质量要求。

摘要：光学系统是自主导航星敏感器实现恒星光信号收集以及高精度姿态测量的核心组件。以高精度星敏感器光学系统为研究对象,分析了影响光学系统探测不同色温恒星精度的机理,恒星色温及环境温度变化引起的质心漂移量误差通过后期标定抑制的难度大,需要在光学设计阶段进行控制;建立了光学系统设计波长权重计算模型及分配方法;在性能评价方面,除了常规的能量集中度、畸变以及非对称像差之外,提出采用恒星色温质心漂移量以及温度变化质心漂移量作为精度评价的主要指标。根据应用需求设计了一款基于航天卫星平台的长焦距星敏感器光学系统,焦距为95 mm,相对孔径为F/2.4,视场角为8°×8°,探测光谱范围为450~1 000 nm,3×3像元内能量集中度大于85%。基于常规玻璃材料校正了超宽谱段长焦距光学系统的倍率色差,全视场倍率色差不超过0.9μm。精度分析结果表明:2 600~9 800 K范围内不同色温恒星的质心漂移量小于0.36μm;在工作温度0~40℃范围内,焦距变化量小于2.7μm,温度变化引起的质心漂移量小于0.45μm。

摘要：星点质心定位精度直接决定了星敏感器姿态测量精度的极限,其误差源之一是弥散斑模型的选取。星敏感器光学系统像差无法完全消除,必然影响弥散斑分布,研究光学像差对星点质心定位误差的影响对工程应用具有重要意义。文中以Gauss弥散斑模型为比较,研究了离焦等4种光学像差对星点质心定位的影响机理和分布规律,结合质心定位的物理过程推得光学像差影响下的误差解析式,并实现数值仿真,结果表明:光学像差形成不同的弥散斑模型,导致不同的星点质心定位误差分布;星点弥散斑边缘能量减弱趋势对质心定位误差影响较大,若控制光学像差使相应弥散斑边缘能量呈缓慢趋势减弱,则有利于定位误差的减小。光学像差影响下的星点质心定位误差分析对相应的误差补偿具有指导意义,提出的各光学像差的控制意见有利于指导星敏感器光学系统设计。

摘要：建立了非共轴阵列照明下的眼底成像数学模型,采用照明光路与成像光路独立设计方法,提出了一种微小型眼底相机光学系统,以避免传统眼底相机中人眼角膜与网膜物镜反射杂光对视网膜图像的干扰.设计了6阵列环形光源照明光路系统,长度仅17.9 mm,实现眼底视网膜有效照明线视场不小于12 mm;成像光路系统采用二次成像设计,光学调制传递函数优于0.2@91 lp/mm,畸变小于5%,长度仅为75 mm.仿真与设计结果表明,该眼底相机光学系统有效抑制了光路中的杂散光,有利于获得高对比度视网膜图像.研究结果可为高像质、小型化以及低杂光眼底相机发展提供设计参考.

摘要：在空间引力波探测中,望远镜是空间激光干涉测量系统的重要组成部分,其出瞳处波前误差与抖动光程(Tilt-ToLength,TTL)噪声间的耦合,是影响空间引力波探测的主要噪声源。首先,基于平顶光束与高斯光束的干涉模型,采用Fringe Zernike多项式表征望远镜出瞳处的波前误差,运用LISA Pathfinder(LPF)信号分析出瞳处波前误差与TTL噪声的耦合机理。其次,采用蒙特卡洛分析方法,研究不同数值波前误差下低阶像差占比对TTL耦合噪声的影响,确定了不同数值波前误差下,望远镜光学系统出瞳处满足TTL耦合噪声控制要求的低阶像差设计比例。最后,基于上述理论分析结果与像差控制要求,完成了空间引力波探测望远镜光学系统设计,望远镜入瞳直径为200 mm,出瞳处波前误差RMS值为0.01908λ,低阶像差占比不高于50%。分析结果表明,当光束抖动在±300μrad以内,TTL耦合噪声不超过8.25 pm/μrad;通过公差分析得知,TTL耦合噪声最大值为15.50 pm/μrad,满足空间引力波的探测要求。

摘要：为了寻找简单的多组全动型变焦系统的解算方法及降低全动型变焦距系统设计时对经验的过分依赖,提出了一种全新的方法来计算系统组元的光焦度分配。以组元之间的间隔为初始量,把组元的运动形式作为自由量,通过计算公式求出满足间隔要求的光焦度分配和组元运动形式。该方法在一定程度上降低了变焦系统光焦度分配的难度,更重要的是,为探寻新的变焦运动方式提供了一种新的思路。在得到系统的光焦度分配之后又推导出一种求解系统组元移动曲线的简单方法。为了验证该方法的可行性,设计了一个四组式全动型变焦系统。所设计系统优化后的光焦度分配值和计算的结果都很接近,并且得到了组元的移动曲线,从而验证了该方法的正确性。

摘要：对光学自由曲面设计的关键问题——光学自由曲面的表征模型进行了研究。在传统高斯径向基模型的基础上,通过改善基函数的分布特性以及基于面形斜率调整基函数的形状因子,建立了基于面形斜率的高斯径向基表征模型。利用建立的模型、传统径向基模型和Zernike多项式模型拟合了不同类型的自由曲面,并进行了分析比较。结果证实了文中提出的模型较传统径向基模型的面形拟合精度提高了1~2个数量级,具有较强的面形表征能力。应用该模型进行了离轴三反系统的设计,结果显示设计的三反系统的全视场平均调制传递函数（MTF）达到80%以上。与传统面形表征模型相比,该模型的应用提高了系统的像差平衡能力,改善了系统的成像质量。综合分析表明,该模型适用于表征具有显著非对称性的、面形矢高带有显著局域性变化的自由曲面,有望应用于具有大离轴量和大视场的光学系统设计中。

摘要：星敏感器是航天飞行器实现姿态自主导航的关键测量设备,传统星敏感器由于体积与质量较大,难以满足微纳卫星的应用需求,光学系统是星敏感器小型化的核心及瓶颈技术。分析了实现全天恒星识别的星敏感器光学系统参数需求,完成一种基于全球面透镜的微小型宽谱段透射式光学系统设计,实现了光学系统焦距40 mm,视场角26.4°,相对孔径F/2.8,光谱范围为450 nm~1000 nm,光学系统体积与质量大幅降低,可应用于微纳卫星星敏感器。

摘要：为实现高亮反射金属圆柱形锅的自动快速检测及分拣,破解目前金属锅表面缺陷检测速度慢、效率低的技术难题,在YOLOX网络基础上引入双向特征融合网络,提出基于注意力机制的轻量化特征融合网络模型,实现计算模型的轻量化设计;同时,通过注意力机制模块对特征信息进行通道与空间的学习,有效缓解多尺度特征的语义鸿沟问题,提高了模型的检测精度;考虑网络对难易分类样本学习权重分配不平衡,设计基于衰减因子的分类损失函数;利用金属锅圆柱表面缺陷数据集完成了特征融合网络对比实验、分类损失函数对比实验和注意力机制模块位置消融实验。实验结果表明,融合注意力机制模型可有效识别6种不同形态的缺陷,测试集的平均检测精度mAP0.5达到90.92%,检测帧率达到30.84 frame/s,实现了金属锅圆柱表面缺陷的高精度快速识别与定位。

摘要：基于矢量像差理论,提出了以Zernike多项式为表征函数的自由曲面光学系统像差分析方法,推导了在未消像散和彗差的光学系统中引入自由曲面后系统像差解析表达式,利用光学设计软件对远离光阑位置的自由曲面所导致的像差节点分布特性进行了仿真验证。仿真结果与理论推导一致,证明该方法可以用来解析自由曲面光学系统像差。最后,应用该方法设计了含有自由曲面的大视场离轴三反光学系统。系统焦距850 mm,F数6.5,系统在成像视场20°×2°范围内的畸变小于0.25%,成像质量满足使用要求。