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新型大相对孔径Schwarzschild光谱成像系统设计

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中国激光 2014年第1期41卷 232-237页

作者：薛庆生曹佃生于向阳中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

为满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求，克服Offner光谱成像系统中凸面光栅加工的困难和改进型Czerny-Turner光谱成像系统相对孔径小的缺点，提出一种新型的基于平面光栅的大相对孔径Schwarzschild光谱成像系统，根据反射... 详细信息

为满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求，克服Offner光谱成像系统中凸面光栅加工的困难和改进型Czerny-Turner光谱成像系统相对孔径小的缺点，提出一种新型的基于平面光栅的大相对孔径Schwarzschild光谱成像系统，根据反射球面罗兰圆理论分析了该系统的像散校正方法，利用Matlab软件编制了初始结构快速计算程序。作为实例，设计了一个相对孔径为1/2.5，工作波段为400～1000 nm的Schwarzschild光谱成像系统。首先利用自己编制的Matlab程序计算初始结构参数，再利用Zemax-EE光学设计软件对该光谱成像系统进行光线追迹和优化设计，并对设计结果进行分析。结果表明，在整个工作波段内，点列图弥散斑的尺寸小于13 μm，实现了大相对孔径宽波段像差的同时校正，在宽波段内获得了良好的成像质量，满足设计指标要求，也证明了这种新型Schwarzschild光谱成像系统是可行的，其在航空和航天高光谱遥感领域具有广阔的应用前景。

关键词：光学设计 Schwarzschild光谱成像系统高光谱成像仪平面光栅罗兰圆

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广角镜头畸变测量及校正方法研究

电子测量与仪器学报 2015年第8期29卷 1210-1215页

作者：曹佃生中国科学院长春光学机密机械与物理研究所长春130033

为了提高广角气溶胶探测仪的成像质量,提出了根据实验测量的拟合数据对图像进行畸变校正的方法。使用平行光管配合精密转台对探测仪光学系统的畸变量进行了实验测量,对畸变测量数据进行了多项式拟合,得到了光学系统在整个视场内的畸变... 详细信息

为了提高广角气溶胶探测仪的成像质量,提出了根据实验测量的拟合数据对图像进行畸变校正的方法。使用平行光管配合精密转台对探测仪光学系统的畸变量进行了实验测量,对畸变测量数据进行了多项式拟合,得到了光学系统在整个视场内的畸变量分布。实验结果表明,通过坐标变换与灰度校正,可以使探测仪采集图像的最大畸变量由10个像元偏移量(0.14 mm)减小到2个像元偏移量(0.028 mm)。采用基于实验测量畸变对所采集图像进行校正的方法,可以有针对性的对系统畸变进行校正,提高成像质量。

关键词：畸变测量畸变校正灰度校正图像处理

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高精度无导轨位移平台误差分析

光学精密工程 2012年第2期20卷 313-320页

作者：曹佃生高云国中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院研究生院北京100039

研究了基于补偿式柔性平行四杆机构的高精度位移平台的运动精度,对变形板尺寸误差、比例杆球心距误差和内外变形板装配夹角误差等误差源进行了分析计算。采用半梁模型分析了变形板,得到变形板行程与耦合位移量的关系,给出了平台直线度... 详细信息

研究了基于补偿式柔性平行四杆机构的高精度位移平台的运动精度,对变形板尺寸误差、比例杆球心距误差和内外变形板装配夹角误差等误差源进行了分析计算。采用半梁模型分析了变形板,得到变形板行程与耦合位移量的关系,给出了平台直线度误差和耦合位移量误差关于平台位移和变形板尺寸的表达式。使用自准直仪和高精度微分测量头对平台直线度和耦合位移量进行了测量,结果表明:该补偿式结构的高精度无导轨位移平台在大行程(5mm)工作时,仍具有较高的运动精度,直线度小于1.5″,耦合位移量小于13.7m,与理论分析吻合。

关键词：位移平台直线度耦合位移柔性四杆机构变形板

基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪

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光学精密工程 2014年第9期22卷 2321-2328页

作者：张晶薛庆生曹佃生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

为了满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求,提出并设计了一种基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪.基于几何像差理论,推导出了像散校正条件,利用Matlab软件编制了初始结构参数快速计算程序.作为实例,设计了一个相对子径... 详细信息

为了满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求,提出并设计了一种基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪.基于几何像差理论,推导出了像散校正条件,利用Matlab软件编制了初始结构参数快速计算程序.作为实例,设计了一个相对子径为1/2.5,波段为350～1 000 nm的平面光栅光谱仪光学系统.利用自己编制的Matlab程序计算了初始结构参数,然后利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱仪的光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析.结果表明,在整个工作波段（350～1 000 nm）内,点列图半径均方根值小于8.2 m,实现了大相对孔径宽波段像散同时校正,在宽波段内同时获得了良好的成像质量,满足了设计指标要求.所提出的基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪在高光谱遥感领域很有应用前景.

关键词：光学设计平面光栅光谱仪 Schwarzschild结构高光谱成像仪

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大口径快速密闭窗口的设计及测试

光学精密工程 2015年第9期23卷 2578-2585页

作者：刘旭堂高云国曹佃生中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100039

针对大口径宽波段高能激光发射系统使用环境复杂、激光发射间歇时间长,晶体窗口无法满足使用要求等情况,为发射系统设计了一套快门式机械窗口。该机械窗口采用聚氯乙烯(PVC)薄板作为防尘罩,利用弹簧和密封环组成半固定式滑槽,采用步进... 详细信息

针对大口径宽波段高能激光发射系统使用环境复杂、激光发射间歇时间长,晶体窗口无法满足使用要求等情况,为发射系统设计了一套快门式机械窗口。该机械窗口采用聚氯乙烯(PVC)薄板作为防尘罩,利用弹簧和密封环组成半固定式滑槽,采用步进电机驱动。利用圆形薄板的大挠度变形原理,建立了防尘罩挠曲变形量与正压风载间的非线性微分方程;以中心挠度为摄动参数用摄动法求解微分方程,获得防尘罩挠曲变形量与风压载荷间的关系,并进一步求出电机的负载扭矩。由于电机的输出扭矩是一定的,为了使防尘罩抗风载能力达到最大,利用电机负载与防尘罩挠曲变形量间的解析关系式进一步优化了防尘罩的弯曲刚度。实际测试结果显示,防尘罩挠曲变形量的求解误差不超过15%;当防尘罩弯曲厚度为0.8mm时,防尘罩可以抵御12m/s风载作用,电机负载扭矩为0.34Nm;开启与关闭的最短时间小于3s,窗口运行可靠,符合设备使用要求。

关键词：光电探测设备激光发射窗口快门式机械窗口圆形薄板正压风载

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双光栅光谱仪光栅转轴的多目标优化

红外与激光工程 2017年第3期46卷 189-195页

作者：许典曹佃生林冠宇于向阳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

双光栅光谱仪光栅转轴是用于固定和驱动两块共轴凹面光栅的重要零件,其工作过程中出现的变形与振动现象均可能对双光栅光谱仪最终的波长测量结果带来影响。依据双光栅光谱仪的工作原理和实际工况,确定其光栅转轴结构优化的主要目标为质... 详细信息

双光栅光谱仪光栅转轴是用于固定和驱动两块共轴凹面光栅的重要零件,其工作过程中出现的变形与振动现象均可能对双光栅光谱仪最终的波长测量结果带来影响。依据双光栅光谱仪的工作原理和实际工况,确定其光栅转轴结构优化的主要目标为质心调整,轻量化,避免共振和减小凹面光栅的随机响应变形。为实现光栅转轴的多目标优化,首先在UG中建立凹面光栅、光栅转轴及其固定结构的三维模型,然后导入ANSYS Workbench进行模态分析与随机响应分析,并针对其计算结果展开多目标优化。优化后,光栅转轴回转部分的质心调整到回转轴上,总质量由0.606 30 kg减轻到0.539 43 kg,二阶固有频率从184.83 Hz增大到187.77 Hz,凹面光栅Z轴方向最大随机响应变形从33.394μm减小到27.147μm。目前市面上常见的有限元分析软件均无法直接实现结构的质心调整,作者将该目标的实现提前到三维建模过程当中,并保证在后续优化过程中,回转部分的质心只在其回转轴上移动,从而使质心调整和轻量化等其他优化目标同时实现,该处理方法具有广泛的借鉴意义。

关键词：光栅转轴质心调整轻量化模态分析随机响应分析

基于Stokes向量大气紫外光谱辐射的偏振修正研究

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中国激光 2014年第8期41卷 256-261页

作者：林冠宇王淑荣曹佃生中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

通过在紫外（UV）大气成分探测仪中设置偏振测量通道,并采用基于Stokes向量方法对空间大气紫外光谱辐亮度探测输入值进行了偏振度修正。采用解析函数法建立了修正误差较大波段处的偏振度数学模型,将240~380nm工作波段范围的偏振度修正... 详细信息

通过在紫外（UV）大气成分探测仪中设置偏振测量通道,并采用基于Stokes向量方法对空间大气紫外光谱辐亮度探测输入值进行了偏振度修正。采用解析函数法建立了修正误差较大波段处的偏振度数学模型,将240~380nm工作波段范围的偏振度修正误差最大值由6.6%减小至1.6%。最大限度降低了由于大气散射偏振对探测大气入射光强的影响,提高了紫外大气测量精度,为航天遥感仪器大气紫外测量提供了理论和实验基础。

关键词：测量 Stokes向量偏振修正紫外光谱解析函数

机载海洋改进型Dyson高光谱成像仪的研制

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光学精密工程 2017年第6期25卷 1403-1409页

作者：曹佃生石振华林冠宇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

针对海洋环境、海洋水色等领域的发展需要,设计了一种适于机载的宽视场、大相对孔径的改进型Dyson光谱成像系统。根据海洋环境污染的光学特性,利用不同目标反照率值估算目标信号的信噪比,将高光谱成像仪的工作波段扩宽至紫外波段;使用... 详细信息

针对海洋环境、海洋水色等领域的发展需要,设计了一种适于机载的宽视场、大相对孔径的改进型Dyson光谱成像系统。根据海洋环境污染的光学特性,利用不同目标反照率值估算目标信号的信噪比,将高光谱成像仪的工作波段扩宽至紫外波段;使用大像元尺寸的探测器、大相对孔径的成像系统来满足对海洋目标弱信号的识别,同时通过降低积分时间来避免近海岸沙滩信号过强引起的探测器饱和。该光谱仪的工作波段为0.32~1.05μm、相对孔径为f/1.8、像元尺寸为24μm×24μm,通过加入弯月形的矫正镜避免了狭缝、探测器、滤光片和单透镜相互之间产生干涉。设计结果表明,整个光学系统各波长的传递函数均大于0.83,谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元尺寸的4%。所设计成像光谱仪系统适用于海洋环境污染,尤其是海洋溢油污染的监测。

关键词：光学遥感高光谱成像仪信噪比估算紫外波段大像元尺寸大相对孔径

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大口径透镜多点柔性支撑结构设计与分析

光电工程 2015年第5期42卷 88-94页

作者：马磊曹佃生刘承志中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站长春130017 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033

透镜面形精度是影响透射式光学系统性能的主要因素之一,支撑结构、自重和热载荷是引起透镜面形发生变化的三个主要原因。为了实现大口径透镜(Φ>200 mm)的高面形精度,本文设计了一种新的基于多点柔性支撑的透镜支撑结构,通过有限元分析... 详细信息

透镜面形精度是影响透射式光学系统性能的主要因素之一,支撑结构、自重和热载荷是引起透镜面形发生变化的三个主要原因。为了实现大口径透镜(Φ>200 mm)的高面形精度,本文设计了一种新的基于多点柔性支撑的透镜支撑结构,通过有限元分析,给出该柔性支撑结构下自重和热载荷对透镜面形的影响。分析结果表明:重力作用下透镜上、下表面面形RMS值分别为6.78 nm和3.46 nm;热载荷作用下透镜上、下表面面形RMS值分别为8.30 nm和5.57 nm。由此得出,本文设计的多点柔性支撑结构可以有效减少自重和热载荷对大口径镜面面形的影响,满足透射式光学系统对透镜面形的精度要求(RMS<λ/50,λ=632.8 nm)。

关键词：柔性支撑透镜支撑热变形自重变形有限元分析