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1.8 m长条形轻质SiC反射镜支撑位置设计

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光学学报 2024年第13期 248-256页

作者：龙荃李宗轩张德福李清雅任书慧徐佳坤中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院大学中国科学院天基动态快速光学成像技术重点实验室

反射镜在自重作用下的形变是影响光学表面质量的重要误差源之一。对于圆形的反射镜来说，其内部有一个中性面，当柔性支撑的回转中心与中性面重合时，反射镜表面受到重力影响后的形变最小。但由于长条形反射镜不再具有回转对称性，其原... 详细信息

反射镜在自重作用下的形变是影响光学表面质量的重要误差源之一。对于圆形的反射镜来说，其内部有一个中性面，当柔性支撑的回转中心与中性面重合时，反射镜表面受到重力影响后的形变最小。但由于长条形反射镜不再具有回转对称性，其原有的中性面位置公式将不再适用。本文提出了一种长条形反射镜中性面位置即最佳安装位置的计算方法。通过计算柔性支撑的柔度矩阵，得到反射镜组件的整体力学模型，并以此推导出了长条形反射镜中性面位置计算公式。最终将其与有限元分析和光学检测试验得到的结果进行对比，验证了中性面位置计算公式的准确性。在光学检测试验中，反射镜组件在不同方向重力作用下表面面形的均方根（RMS）值均小于0.03λ；反射镜扫频振动试验得到的三个方向上的最小共振频率分别为106.30、151.55、104.00 Hz。该结果满足反射镜组件对于面形精度、结构刚性和稳定性的要求。

关键词：离轴三反相机长条形反射镜中性面柔性支撑面形误差

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空间微重力下离轴三反相机离焦范围

中国光学 2014年第2期7卷 320-325页

作者：刘磊马军郑玉权长春理工大学机电工程学院吉林长春130022 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... 详细信息

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0.04 mm,为调焦机构的设计提供了理论依据。

关键词：空间相机离轴三反相机空间微重力离焦

离轴三反时间延迟积分CCD相机内方位元素和畸变的标定

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光学精密工程 2012年第3期20卷 462-467页

作者：吴国栋中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

由于测绘相机的关键几何参数内方位元素和畸变的标定精度决定相机的立体测绘精度,本文提出了一种离轴三反时间延迟积分(TDI)CCD相机内方位元素和畸变的标定方法。介绍了离轴三反TDICCD相机的光学系统和像面拼接方法,明确了该相机内方位... 详细信息

由于测绘相机的关键几何参数内方位元素和畸变的标定精度决定相机的立体测绘精度,本文提出了一种离轴三反时间延迟积分(TDI)CCD相机内方位元素和畸变的标定方法。介绍了离轴三反TDICCD相机的光学系统和像面拼接方法,明确了该相机内方位元素和畸变的含义。建立了标定系统及相应的数学模型,应用最小二乘回归法求得了内方位元素和畸变的表达式。利用提出的方法标定了相机的内方位元素和畸变,并对标定误差进行了分析。结果表明:该方法对主点的标定精度可达1.0μm(1σ),对主距的标定精度可达2.0μm(1σ),对畸变的标定精度为2.3μm(1σ)。结果显示提出的标定方法快捷且有效。

关键词：时间延迟积分CCD相机离轴三反相机内方位元素畸变标定

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离轴三反消像散多光谱相机调焦系统设计

光学精密工程 2013年第8期21卷 2154-2160页

作者：吕世良刘金国贾平徐东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

空间环境的恶劣经常导致航天相机的成像平面偏离焦平面产生离焦,从而影响遥感成像质量。本文针对某航天离轴三反消像散多光谱相机设计了一种调焦系统对成像平面的离焦进行有效补偿。首先,分析了相机的离轴三反消像散光学系统和CCD焦平... 详细信息

空间环境的恶劣经常导致航天相机的成像平面偏离焦平面产生离焦,从而影响遥感成像质量。本文针对某航天离轴三反消像散多光谱相机设计了一种调焦系统对成像平面的离焦进行有效补偿。首先,分析了相机的离轴三反消像散光学系统和CCD焦平面的特点,确定调焦方式并阐述调焦系统工作原理。然后,介绍了调焦系统构成以及调焦控制器环境适应性、步进电机力矩选择、调焦传动机构的设计参数和位置编码器,推导出了调焦精度与调焦机构参数及编码器分辨率的关系,分析了调焦系统所能达到的调焦精度。最后,通过调焦系统测试了调焦行程内CCD焦平面直线位置与编码器码值的对应曲线。对闭环控制方式测试数据的计算分析显示,闭环调焦精度在3σ情况下为±3.11μm,满足相机调焦控制精度±10μm的要求。

关键词：离轴三反相机多光谱相机消像散 CCD焦平面调焦系统调焦精度闭环控制

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离轴三反航天测绘相机焦距的计算

光学精密工程 2012年第8期20卷 1754-1758页

作者：郭疆孙继明邵明东胡海飞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... 详细信息

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2m,在CCD像元尺寸为8μm,轨道高度为700km,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。

关键词：离轴三反相机航天测绘焦距测量地球曲率

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离轴三反空间相机主支撑结构优化设计与试验

光电工程 2016年第7期43卷 45-51页

作者：席佳利张雷解鹏魏磊孔林中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 中国科学院大学北京100049

为解决离轴三反空间相机随机响应过大的问题,提出了一种以降低加速度响应均方根值(RMS)为目标的空间相机主支撑结构拓扑优化设计方法。首先,在分析各种空间相机主支撑结构和某离轴三反光学系统特点的基础上,确定了次镜组件和折叠镜组件... 详细信息

为解决离轴三反空间相机随机响应过大的问题,提出了一种以降低加速度响应均方根值(RMS)为目标的空间相机主支撑结构拓扑优化设计方法。首先,在分析各种空间相机主支撑结构和某离轴三反光学系统特点的基础上,确定了次镜组件和折叠镜组件分开支撑的结构形式。其次,以离轴三反空间相机次镜的加速度响应均方根值为优化目标,以体积分数,X、Y、Z向重力载荷分别作用下次镜的刚体位移,主支撑结构的一阶频率为约束条件对初始主支撑结构有限元模型进行拓扑优化设计,得到了加速度响应满足设计要求的主支撑结构。最后,对该结构进行有限元分析和振动试验,表明了该离轴三反空间相机力学性能指标均满足设计要求,其中Z向2 g RMS量级的随机激励下次镜的加速度响应均方根值为5.08 g;主支撑结构质量仅为3.8 kg,一阶频率达到了291.4 Hz。该离轴三反相机主支撑结构的设计方法可以作为其他同型相机结构设计的参考。

关键词：主支撑结构拓扑优化设计随机响应离轴三反相机桁架结构

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空间离轴相机光机结构轻型优化设计研究

空间离轴相机光机结构轻型优化设计研究

作者：包奇红中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

学位级别：硕士

离轴三反消象散系统具有长焦距、大视场、宽波段等优点,因而被广泛地应用于空间光学遥感器中。随着空间技术的发展,高分辨率、宽覆盖已成为空间相机的一大发展趋势,使得相机的口径和质量不断增大。与此同时,轻小型遥感卫星对空间星载仪... 详细信息

离轴三反消象散系统具有长焦距、大视场、宽波段等优点,因而被广泛地应用于空间光学遥感器中。随着空间技术的发展,高分辨率、宽覆盖已成为空间相机的一大发展趋势,使得相机的口径和质量不断增大。与此同时,轻小型遥感卫星对空间星载仪器的重量和性能提出了更高的要求,致使空间相机,特别是大口径离轴相机的轻型优化设计面临重大挑战。本文根据空间相机的光机结构特点,针对轻小卫星相机质量更轻、性能更好的设计要求,对空间离轴相机光机结构进行了轻型优化设计。首先,从反射镜材料、支撑形式,相机光机结构形式等方面简要介绍了国内外空间相机的发展概况及趋势,并介绍了光机结构优化设计中两种常用的优化方法和技术,拓扑优化方法和集成优化技术。进一步阐明了本课题研究的主要内容和意义。其次,对相机中的主、次、三镜进行了轻量化设计。对空间反射镜提出背部中心支撑方式,通过对相机中的各反射镜采用该种支撑方式,既降低了支撑结构的设计难度,又减小了反射镜组件的总重量。利用集成优化技术对反射镜进行优化,在减小镜体质量的同时进一步提高了反射镜的面形精度。对反射镜组件的动、静力学性能进行仿真分析,以检验设计结果的可靠性,结果表明各反射镜组件的动、静力学性能均满足设计要求。然后,对相机主支撑结构进行轻型优化设计。采用拓扑优化方法对主支撑结构中的大质量部件后基板进行轻量化设计,以减小支撑结构的质量。对桁架系统利用集成优化技术进行优化,通过对桁架杆进行布局优化和截面优化,提高了桁架系统的动、静态刚度。对整机模型进行动、静力学仿真,以检验主支撑结构的可靠性,结果表明结构的动、静态刚度满足设计要求。最后,以Ф500mm口径的Si C圆形反射镜为例,研究了空间反射镜背部中心支撑特性,分析了反射镜及支撑结构的主要结构参数对反射镜性能的影响,为空间反射镜背部中心支撑的设计研究提供思路和参考。

关键词：空间光学遥感器离轴三反相机空间反射镜轻量化集成优化仿真分析

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大比例尺立体测绘缩比相机主支撑结构设计

大比例尺立体测绘缩比相机主支撑结构设计

作者：席佳利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

随着立体测绘技术的不断发展,立体测绘相机光学系统对焦距、视场角,入瞳直径方面的要求愈来愈高,立体测绘相机的设计和加工难度愈来愈大。离轴三反光学系统通过多次转折光路,可以在保持焦距不变的条件下有效缩短相机尺寸。一方面,离轴... 详细信息

随着立体测绘技术的不断发展,立体测绘相机光学系统对焦距、视场角,入瞳直径方面的要求愈来愈高,立体测绘相机的设计和加工难度愈来愈大。离轴三反光学系统通过多次转折光路,可以在保持焦距不变的条件下有效缩短相机尺寸。一方面,离轴三反光学系统具有较容易控制系统的杂散辐射,没有中心遮拦损失,能量利用率高,不存在色差,可设计变量多等优点,在立体测绘相机领域具有很大的应用潜力。另一方面,离轴三反光机系统结构非轴对称,其主支撑结构设计和系统装调是公认的难点。针对当前由传统结构设计方法向优化设计方法,由基于静载荷的设计方法向基于动载荷设计方法转变的必要性和趋势,本课题以某立体测绘缩比相机研制为背景进行离轴三反立体测绘相机主支撑结构的优化设计方法研究。针对该相机在立体测图精度和结构质量等方面的要求,将随机响应最小化拓扑优化设计方法引入到离轴三反立体测绘相机主支撑结构设计中。主要进行了以下几方面研究工作:1.分析了该立体测绘缩比相机及其前/后视相机的光学系统,其前/后视相机具有相同的结构形式,采用了相同的离轴三反光学系统,其主支撑结构设计是该立体测绘缩比相机主支撑结构设计的关键。从立体测图角度分析了测绘相机对交会角、内方位元素和传递函数等指标的要求,对总体给出的相机主支撑结构设计指标进行了说明。2.针对光学系统的特点和要求,优选了主支撑结构形式和材料;根据总体对重力载荷下相机的位移、随机振动下次镜的响应以及相机结构一阶频率方面的要求,进行了该结构的随机响应最小化拓扑优化设计,所得结果具有较高的参考价值。在此基础上得到了结构的尺寸优化初始有限元模型,经动力学尺寸优化得到了前/后视相机的桁架式主支撑结构,其质量约为3.8Kg。该主支撑结构的动力学分析和该相机的热分析表明主支撑结构满足各项设计要求。3.对该相机主支撑结构进行了0.1g的正弦扫描试验和2gRMS的随机振动试验。试验表明主支撑结构的一阶频率为291.4Hz,随机振动试验前后次镜特征点在X、Y、Z向的扫描响应曲线吻合程度很高,说明该主支撑结构具有较好的刚度和稳定性。次镜沿光轴方向的随机响应放大率得到了有效控制。有限元分析结果与动力学试验结果间最大误差为6.0%,满足工程分析精度要求。证明了本文提出的主支撑结构设计方法的正确性和该结构的合理性。4.设计工装连接前/后视相机,保持前视相机坐标系X轴竖直向上,后视相机坐标系X轴竖直向下状态,进行了该测绘相机交会角、传递函数和内方位元素的标定。标定结果表明:立体测绘缩比相机交会角为22.6023°,相对偏差约为0.01%。前/后视相机在Nyquist频率处的调制传递函数均大于0.1。前/后视相机的相对畸变均约为0.05%。相机的各种光学性能指标均满足要求,说明了该相机主支撑结构具有很好的刚度和稳定性。本文提出的设计方法可以将随机响应纳入离轴三反立体测绘相机的结构设计过程,能在较大程度上降低结构关键部位的随机响应,优化结构的动力学特性。本文提出的优化策略也可用于其他同型相机主承力结构设计。

关键词：主支撑结构随机响应动力学优化设计立体测绘相机离轴三反相机桁架

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大口径离轴长条形反射镜的检测支撑机构

光学精密工程 2015年第10期23卷 2835-2842页

作者：杨帅沙巍陈长征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 中国科学院大学北京100039

针对大口径离轴长条形反射镜光轴水平向检测的需要,设计了一套检测支撑结构。优化了结构参数,实现了由支撑结构引起的镜面面形误差最小化。通过比较长条形反射镜光轴水平向检测支撑的级联多点支撑结构,选择了结构简单、扩展性和调整性... 详细信息

针对大口径离轴长条形反射镜光轴水平向检测的需要,设计了一套检测支撑结构。优化了结构参数,实现了由支撑结构引起的镜面面形误差最小化。通过比较长条形反射镜光轴水平向检测支撑的级联多点支撑结构,选择了结构简单、扩展性和调整性优良的两点单层固定支撑结构。利用集成仿真与优化方法,分析计算反射镜镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势,确定了最优支撑间隔。最后,利用干涉仪结合补偿器的检测方式,对不同支撑间隔工况下镜面面形进行检测,验证了仿真分析的可靠性。结果表明:在支撑间隔为564mm时,由检测支撑引起的镜面面形误差最小(RMS=8.26nm),干涉检测得到的镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势与仿真得到的趋势相符,仿真结果可靠性高。提出的方法可实施性好,可推广到其他大口径离轴长条形反射镜的设计和检测中,为离轴三反(TMA)相机的设计提供技术基础。

关键词：离轴长条形反射镜检测支撑面形误差集成仿真与优化离轴三反相机