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用于太阳光泵浦光纤激光聚光系统的改进型复合抛物面聚光器的设计

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量子电子学报 2024年第2期41卷 289-299页

作者：张墨王子荣王书新张星祥中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

为研制适用于太阳光泵浦光纤激光器的聚光系统,在分析了传统复合抛物面聚光器(CPC)用于耦合光纤的可行性及其缺陷的基础上,提出了一种改进型CPC用于光纤耦合。完成了由主级抛物面反射镜和次级改进型CPC组成的太阳光泵浦多级聚光方案,并... 详细信息

为研制适用于太阳光泵浦光纤激光器的聚光系统,在分析了传统复合抛物面聚光器(CPC)用于耦合光纤的可行性及其缺陷的基础上,提出了一种改进型CPC用于光纤耦合。完成了由主级抛物面反射镜和次级改进型CPC组成的太阳光泵浦多级聚光方案,并与普通CPC和透镜组构成次级聚光器的方案以及无次级聚光器的方案进行了对比。光线追迹仿真模拟结果表明:改进型CPC能够克服普通CPC出射光线发散的缺陷,从而提高与光纤的耦合效率,当主镜接收角度在±0.55°范围内,其耦合效率维持在93.53%-96.43%,该结果优于其他方案。

关键词：激光技术太阳光泵浦激光器复合抛物面聚光器光纤耦合

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TMA空间相机性能稳定性的全状态分析与测试

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红外与激光工程 2014年第9期43卷 2996-3004页

作者：张星祥任建岳中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

光学系统波像差是空间相机的关键成像性能指标，其稳定性决定了成像质量的稳定性。针对大视场TMA空间相机研制过程和在轨成像时重力和温度变化状态，用有限元方法分析反射镜位置公差、面形等尺寸稳定性，结合反射镜的加工面形，计算光... 详细信息

光学系统波像差是空间相机的关键成像性能指标，其稳定性决定了成像质量的稳定性。针对大视场TMA空间相机研制过程和在轨成像时重力和温度变化状态，用有限元方法分析反射镜位置公差、面形等尺寸稳定性，结合反射镜的加工面形，计算光学系统波像差，分析成像性能稳定性的变化；采用实验室多方向重力（水平、悬挂、向上、向下等）和20±4°环境调温状态模拟测试，系统波像差平均在λ/14.7～λ/12.4之间，单个视场最低为λ/11。波像差的分析数据与测试结果趋势一致，各状态平均误差范围为-0.0126λ～0.0031λ，最大单点误差为-0.023λ；在不同状态下的传函复合测试结果都达0.21以上，相对变化小于-4.8%。该方法作为分析、验证系统成像稳定性有效便捷的手段，应用到大视场TMA空间相机的研制中，指导设计、分析薄弱环节，通过全状态的分析和测试，说明大视场TMA空间相机具有良好稳定的成像性能。

关键词： TMA空间相机成像性能稳定性分析测试

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TDICCD焦平面的机械交错拼接

光学学报 2006年第5期26卷 740-745页

作者：张星祥任建岳中科院长春光学精密机械与物理研究所

大视场高分辨力成像是遥感器发展的一个重要方向,成像焦面长度也越来越大,时间延时积分型电荷耦合器件(TDICCD)以良好的成像性能在遥感器上得到广泛的应用,对TDICCD探测器拼接以获得大焦面就变得越来越重要。一般光学拼接方法长度受到... 详细信息

大视场高分辨力成像是遥感器发展的一个重要方向,成像焦面长度也越来越大,时间延时积分型电荷耦合器件(TDICCD)以良好的成像性能在遥感器上得到广泛的应用,对TDICCD探测器拼接以获得大焦面就变得越来越重要。一般光学拼接方法长度受到材料和胶合制约,且引入色差,而直接拼接方法有成像缺陷,为此提出了可消除这些缺陷的TDICCD机械交错拼接的新方法。在长工作距显微镜光学放大,电十丝校准,精密负压吸附气浮导轨和精密滑台移动定位的拼接装置上,对空间上相互错开的两行TDICCD用机械微调的方法实现了400 mm长的焦平面上TDICCD间的位置拼接精度2.9μm,保证了成像时各片TDICCD间精确的位置关系,通过电子学对接的图像移位处理方法,达到了无缝的成像效果。

关键词：光学仪器长焦平面机械交错拼接 TDICCD

行间转移大面阵CCD相机的Smear噪声实时去除

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光学精密工程 2013年第9期21卷 2388-2394页

作者：张宇张立国张星祥中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

针对面阵CCD成像过程中产生的Smear特有噪声,以行间转移面阵CCD为例,提出了利用行间转移面阵CCD暗像元区域提取Smear的方法。介绍了行间转移面阵CCD的工作原理以及Smear产生机理,分析了Smear噪声的组成,利用相关双采样,哑像元校正等方... 详细信息

针对面阵CCD成像过程中产生的Smear特有噪声,以行间转移面阵CCD为例,提出了利用行间转移面阵CCD暗像元区域提取Smear的方法。介绍了行间转移面阵CCD的工作原理以及Smear产生机理,分析了Smear噪声的组成,利用相关双采样,哑像元校正等方法消除了Smear中的KTC噪声及暗电流噪声。提出了基于中值的快速均值滤波方法,消除了光粒子散粒噪声。最后,利用差分方法将滤波后的Smear从原始图像数据中减除,并采用双三次插值对消除Smear后的图像区域进行补偿。设计了以现场可编程门阵列+数字信号处理器(FPGA+DSP)为核心处理器件的硬件实时处理系统,当相机工作在最高速工况3 frame/s时,系统可在1.265 ms内完成Smear提取及滤波,消除Smear后的图像区域灰度方差减小了95.34%。经过成像实验验证,该系统集成度高,满足实时需要,彻底消除了Smear噪声。

关键词： Smear噪声 CCD相机行间转移面阵CCD 现场可编程门阵列+数字信号处理器双三次插值

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环矩形负压吸附导轨的设计计算与应用

环矩形负压吸附导轨的设计计算与应用

作者：张星祥中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）

学位级别：硕士

本文针对目前精密导轨在应用上的一些问题，提出了一种新的导轨副设计方案。详细论述了导轨副的设计过程，运用数学上的拉格朗日条件极值求解法，建立最优化数学模型，求出环矩形负压吸附导轨的结构参数的比例情况，并运用流体力学和气... 详细信息

本文针对目前精密导轨在应用上的一些问题，提出了一种新的导轨副设计方案。详细论述了导轨副的设计过程，运用数学上的拉格朗日条件极值求解法，建立最优化数学模型，求出环矩形负压吸附导轨的结构参数的比例情况，并运用流体力学和气体润滑理论确定了环矩形负压吸附导轨的结构参数、气源气压、承载能力和气膜厚度的确定性结论。针对导轨低速运动时仍可能产生摩擦自激振动的问题，分析了导轨摩擦自激振动的机理，推导出不产生摩擦自激振动的临界速度与导轨副粗糙度的关系，为合理选择导轨的结构及工艺参数提供依据。从而为这种结构形式的负压吸附式导轨的结构参数设计，以及在确定的结构中为其它参数的调整和精度的提高提供了确定性关系。特别在精密检测和精密机械运动中，参数的设定对精度的提高显得尤为的重要。本文还给出了这种新的环矩形负压吸附式导轨在实际项目中的应用情况，即验证了该种导轨设计的合理性，同时还提出了一些存在的有待于进一步解决的问题。

关键词：环矩形负压吸附导轨误差优化设计

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星敏感器星点定位系统误差补偿

中国激光 2015年第3期42卷 291-301页

作者：姜亮张立国张星祥任建岳中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

通过星点定位系统误差频域分析,寻找不同的点扩展函数下星点定位系统误差分布理论表达式形式上的共性。根据光学系统不同视场(FOV)的点扩展函数数据,运用蒙特卡罗法对星点定位系统误差分布进行了仿真,仿真结果与与频域分析结果相符。在... 详细信息

通过星点定位系统误差频域分析,寻找不同的点扩展函数下星点定位系统误差分布理论表达式形式上的共性。根据光学系统不同视场(FOV)的点扩展函数数据,运用蒙特卡罗法对星点定位系统误差分布进行了仿真,仿真结果与与频域分析结果相符。在实验中测量了弥散斑尺寸为5 pixel×5 pixel的星点目标的星点定位系统误差,采用误差补偿方程组对星点定位系统误差进行了补偿。补偿后中心视场星点定位精度提高了66.56%,边缘视场星点定位精度提高了57.21%,而传统正弦曲线拟合补偿方法仅使定位精度提高35.7%,提出的误差补偿方法效果总体上优于传统正弦拟合补偿方法。

关键词：成像系统传感器星点定位系统误差频域分析系统误差补偿

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长焦距同离轴混合式三反光学系统

中国激光 2016年第4期43卷 239-244页

作者：陈哲张星祥陈长征任建岳中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130039 中国科学院大学北京100049

将一个同轴三反系统和两个离轴三反系统相结合,设计了同离轴混合式三反光学系统。同轴系统视场角为1°×0.1°,F数为7.3,工作波段为0.38~0.78μm和1.2~1.7μm;离轴系统视场角为2°×0.1°,F数为18.9,工作波段为0.38~0.78μm。两系统焦... 详细信息

将一个同轴三反系统和两个离轴三反系统相结合,设计了同离轴混合式三反光学系统。同轴系统视场角为1°×0.1°,F数为7.3,工作波段为0.38~0.78μm和1.2~1.7μm;离轴系统视场角为2°×0.1°,F数为18.9,工作波段为0.38~0.78μm。两系统焦距同为14 m,可同时推扫成像,均具有中间像面和实际出瞳,便于抑制杂散光。优化后,像质均接近衍射极限,各视场、各波段奈奎斯特频率处调制传递函数均大于0.41,满足静态传递函数优于0.2的系统设计要求。全系统结构紧凑,易于加工和装调。

关键词：光学设计同离轴混合三反光学系统像质评价调制传递函数

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大口径离轴非球面补偿检测的畸变校正

中国激光 2015年第10期42卷 197-203页

作者：陈哲张星祥陈长征任建岳中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

提出了一种基于检测光路光线追迹的畸变校正方法。通过对面形图边界的提取和分析确定图像中畸变的对称中心位置和对检测波前的采样间隔,利用光线追迹建立镜面到检测结果的对应关系,从而校正面形分布的畸变。针对某大口径离轴三反光学系... 详细信息

提出了一种基于检测光路光线追迹的畸变校正方法。通过对面形图边界的提取和分析确定图像中畸变的对称中心位置和对检测波前的采样间隔,利用光线追迹建立镜面到检测结果的对应关系,从而校正面形分布的畸变。针对某大口径离轴三反光学系统的730 mm×268 mm离轴非球面主镜的补偿检测,完成了面形图的畸变校正,校正前后二值化面形图与二值化镜面图的标准化互相关函数最大值从0.925提升至0.985,校正效果明显。

关键词：测量离轴非球面检测畸变校正光线追迹补偿检测

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高分辨率共孔径同轴三反光学系统

中国激光 2015年第11期42卷 300-306页

作者：陈哲张星祥陈长征任建岳中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

为实现高分辨率全天候对地观测,充分利用了长焦距、大孔径空间光学系统的特点,设计了可见、红外共孔径光学系统。系统由可见光光学系统和红外子系统组成,视场角1.3°×0.1°,便于共光路同时推扫成像。可见光光学系统采用同轴三反结构,谱... 详细信息

为实现高分辨率全天候对地观测,充分利用了长焦距、大孔径空间光学系统的特点,设计了可见、红外共孔径光学系统。系统由可见光光学系统和红外子系统组成,视场角1.3°×0.1°,便于共光路同时推扫成像。可见光光学系统采用同轴三反结构,谱段0.38~0.78μm,焦距25 m,F数10,具有中间像面和实际出瞳,便于抑制杂散光。在可见光光学系统出瞳附近分光并以红外子系统与之承接,形成共孔径红外光学系统,谱段8~10.5μm,焦距4 m,F数1.6。优化后,双波段像质均接近衍射极限,满足设计指标且全系统结构紧凑。进行了公差分析,并通过蒙特卡罗方法验证了公差分配的结果满足静态传递函数优于0.2的设计要求。

关键词：光学设计共孔径同轴三反光学系统像质评价公差分析