广角多通道成像探测仪主光学系统的结构设计
极大望远镜高效率多通道光谱仪的光学系统设计
极大望远镜高效率多通道光谱仪的光学系统设计
极大望远镜高效率多通道光谱仪的光学系统设计
为了实现高效率的多通道光谱测试，极大望远镜的光学系统需要经过精心设计。
以下是该系统的主要设计要素：
1.望远镜主镜：极大望远镜使用的是口径为39米的主镜，由19个小镜拼接而成。
为了尽可能减少光损失，主镜和次镜的表面都使用了高反射膜。
2.光纤输入：为了实现高效率的多通道光谱测试，极大望远镜采用了光纤输入方式。
这种方式可以将天文目标的光线通过光纤传输到光谱仪中，一方面可以减少对周围环境的干扰，另一方面可以提高信号传输的效率。
3.光谱仪入口：光纤输入后，天文目标的光线需要通过光谱仪的入口进行进一步的处理。
为了最大程度地保持这些光线的稳定性和一致性，我们设计了一个高精度的入口端口。
4.光栅和反射镜：在光谱仪中，光栅和反射镜被用来分散不同波长的光线，并将其反射回光纤并发送到探测器上。
我们选择精确的光栅和高反射率的反射镜，以确保尽可能多的光线能够被分散和反射。
5.探测器：在光纤输入的过程中，我们选择了高效率的探测器来接收并分析这些光线。
为了最大程度地提高探测器的响应速度和动态范围，我们使用了一种新型的探测器，并采用了最新的数据处理技术。
综上所述，极大望远镜高效率多通道光谱仪的光学系统设计是一项复杂和关键的工作。
我们采用了最先进的光学材料和设计技术，以确保它能够满足最高标准的光学性能要求。
光学设计 第14章 光学系统初始结构设计方法概要
第三篇光学系统设计光学仪器的基本功能是借助于光学原理，通过光学系统来实现的。
光学系统的优劣直接影响仪器的性能和质量，因此，光学系统设计是光学仪器设计和制造过程中的重要一环。
本部分的目的是使读者获得光学设计所需要的基本理论和知识，并通过必要的设计实践以掌握光学设计的初步能力。
光学设计工作大体上可分四个阶段：一、根据仪器的技术参数和要求，考虑和拟定光学系统的整体方案，并计算其中各个具有独立功能的组成部分的高斯光学参数；二、选择各组成部分的结构型式，并查取或计算其初始结构参数；三、逐次修改结构参数，使像差得到最佳的校正和平衡；四、对设计结果进行评价。
上述各个阶段性工作之间有着密切的联系，前期工作的合理与否会影响到后期工作能否顺利进行，甚至会决定设计工作能否成功。
光学系统的整体方案可以有很大的灵活性和多样性，应该力求在满足仪器的性能要求的前提下，寻求一个简单易行、便于装调和经济合理的最佳方案。
相应地，系统各组成部分的光学性能参数也应根据整体要求定得恰如其分。
选择结构型式是光学设计中的重要一步，可能导致设计的成败。
现在，各种用途的光学镜头已积累起种类甚多的结构型式，它们有各自的像差特征和在保证像质时可能达到的相对孔径和视场，有些型式还能在工作距离或镜筒长度等参数方面达到其特殊要求。
因此，基于对已有结构型式基本特征的全面了解，有可能挑选到符合要求的型式。
但应注意到，随着对镜头要求的不断提高，设计者还应不断探求和研究新的更佳结构。
镜头初始参数的获得一般采用二种方法，一是根据初级像差理论求解满足初级像差要求的解，另一种方法是在已有的设计成果中选取性能参数相当的结果作为初始参数。
像差的平衡是一项通过反复修改结构参数以逐步逼近最佳结果的工作，这在过去以人工计算光路时，工作量是很大的。
计算机应用于光学设计后，先是取代了繁重的光路计算，随后又用于像差自动平衡，才根本上改变了光学设计的面貌。
应用像差自动平衡方法，能充分挖掘出系统各个结构参数对像差校正的潜力，不仅极大地加快了设计进程，而且显著提高了设计质量。
影像测量仪结构组成
影像测量仪结构组成一、引言影像测量仪是一种高精度的测量设备，广泛应用于工业制造、汽车制造、航空航天等领域。
其结构组成是影响其测量精度和使用效果的关键因素之一。
本文将介绍影像测量仪的结构组成。
二、基本结构影像测量仪的基本结构包括光学系统、机械系统和电子系统三部分。
1.光学系统光学系统是影像测量仪最为重要的部分，主要用于获取被测物体表面的图像信息。
其主要组成部分包括镜头、光源、滤波器等。
（1）镜头镜头是光学系统中最为核心的部分，其质量直接影响到影像测量仪的精度和分辨率。
常见的镜头有透镜和反射镜两种类型，其中透镜常用于低倍率下对被测物体进行观察和测量，反射镜则常用于高倍率下对被测物体进行观察和测量。
（2）光源光源主要用于照明被测物体表面以获取清晰的图像信息。
常见的光源有白光、激光等。
其中，激光具有高亮度、高单色性、高方向性等优点，在高精度测量中得到广泛应用。
（3）滤波器滤波器主要用于过滤掉环境中的干扰光线，提高被测物体表面的图像对比度和清晰度。
常见的滤波器有偏振片、中心滤镜等。
2.机械系统机械系统是影像测量仪的支撑结构，主要用于保证被测物体在测量过程中的稳定性和准确性。
其主要组成部分包括基座、移动平台、运动控制系统等。
（1）基座基座是机械系统中最为重要的部分，其质量和稳定性直接影响到影像测量仪的精度和准确性。
常见的基座材料有大理石、花岗岩等。
（2）移动平台移动平台是机械系统中用于支撑被测物体并进行移动的部分。
常见的移动平台有手动平台和自动平台两种类型，其中自动平台具有更高的精度和稳定性。
（3）运动控制系统运动控制系统主要用于控制移动平台的运动轨迹和速度，保证测量过程中的准确性和稳定性。
常见的运动控制系统有步进电机、伺服电机等。
3.电子系统电子系统是影像测量仪中用于处理图像信息和输出测量结果的部分。
其主要组成部分包括图像采集卡、数字信号处理器、计算机等。
（1）图像采集卡图像采集卡主要用于将光学系统中获取到的图像信息转换为数字信号，并传输到计算机进行处理。
光电探测器结构组成
光电探测器结构组成
光电探测器的结构主要由以下几部分组成：
1. 光电转换部分：包括光电转换元件和相应的电路。
常见的光电转换元件有光敏二极管（Photodiode）、光电导管（Phototube）、光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）等。
这些元件能够将光信号转换为电信号。
2. 电子放大部分：一般包括前置放大器、信号处理电路等。
前置放大器用于放大光电转换元件输出的微弱电信号，以增加信号的强度和灵敏度。
信号处理电路则用于对放大后的信号进行滤波、放大、去噪等处理。
3. 光学系统：用于收集和聚焦光信号，将光信号引导到光电转换元件上。
光学系统一般包括透镜、反射镜、光纤等。
4. 外部电路：包括供电电路、控制电路等。
供电电路为光电探测器提供所需的电源，控制电路用于控制光电转换元件的工作状态。
以上是光电探测器常见的结构组成，不同类型的光电探测器结构可能会有所不同，但基本原理相似。
航天器结构与设计
介绍 了广角 多通道成像探测仪 主光 学装 置光学系统和机械结构 的设计 ，分 析了 光学系统 的成像质量 ，利用有 限元 技术 对机械结构进行 了分析和计算 ，得 到了 满足仪器性能要求的设计结果． 图 ９表
７参 ６ 关键词 ：广角多通道成像探测仪 ；光学 设计；机械设计；有 限元分析
１ ６１ １ ６ ３ ～ ３５
Байду номын сангаас
研 究了太 阳帆航天器从地球同步轨道飞 向 日地 第 ２ Ｌ ｇａｇ （ ２点Ｈ ｏ ａ ｒｎ ｅＬ ） ａ 轨道时 ｌ 其转移 并入 轨的轨迹 优化设计 问题 ．提 出了分 ３阶段优化设计 的方法 ：首先调 整航天器逃 离地 球的飞行 轨迹 ，使其 比 较接近 目标Ｈａ 轨道 的不变流形 ；再借 ｌ ｏ 助不变流形 ，用遗传 算法求解 相应的最 优控制 ，使其转 移到 目标Ｈ ｏ ｌ ａ 轨道 的不 变流形上 ；最后航天器将沿流形 飞行完 成入轨．数值仿真结果表 明，提 出的方 法可 以得到相 当好 的转移轨道． 由此显 示：将转移轨道分为若干阶段 ，借助不 变 流形 ，用遗传算法求解最优控制 问题 的轨道优化设计方法对于此类小推力变 轨 问题 是切 实可行 的．图 ７参 １ ３ 关键词 ： 航天器飞行力学； 阳帆 ； ｌ 太 Ｈａ ｏ 轨道 ；不变流形 ；最优控制 ；遗传算法
ｏ２ １９ ７ ４ ５０ ５ ０ ・１ ９ ５
变驱动半径 两轮 并列式月球车的稳 定性 分 析 ＝Ｔ ｅｓ ｂｌｙａ ａ ｓ ｆｕ ａ ｒｖｒ ｈ ａ ｉｔ ｎ ｌ ｉｏ ｌｎ ｅ ｔ ｉ ｙｓ ｒ ｏ
辽 金
ｏ ２ １ ８ ７４ ５ ７ ５ ０ ・１ ９ ０
中国学术期刊文摘
光学仪器的结构与成像原理
光学仪器的结构与成像原理一、光学仪器的基本结构1.透镜：透镜是光学仪器中最基本的元件，分为凸透镜和凹透镜，其作用是对光线进行聚焦或发散。
2.镜筒：镜筒是连接物镜和目镜的部分，起到支持和固定的作用。
3.物镜：物镜位于光学仪器的近端，负责收集来自被观察物体的光线，并形成实像。
4.目镜：目镜位于光学仪器的远端，用于观察物镜形成的实像，并将其放大。
5.支架：支架是用于支撑整个光学仪器的结构，保证仪器的稳定。
6.调节装置：调节装置包括焦距调节、放大倍数调节等，用于调整光学仪器的成像效果。
二、成像原理1.光的传播：光在真空中的传播速度为常数，约为3×10^8m/s。
在介质中传播时，光的速度会发生变化。
2.透镜成像：凸透镜会将平行光线聚焦于一点，形成实像；凹透镜则会将平行光线发散，形成虚像。
3.物镜成像：物镜收集来自被观察物体的光线，形成实像。
实像的大小、位置和方向取决于物体的位置、物镜的焦距等因素。
4.目镜成像：目镜对物镜形成的实像进行放大，形成虚像。
虚像的大小、位置和方向取决于目镜的焦距等因素。
5.成像公式：光学仪器成像的计算公式，如薄透镜公式、厚透镜公式等，用于计算物镜和目镜的焦距、物距、像距等参数。
6.放大倍数：光学仪器的放大倍数等于物镜和目镜的放大倍数的乘积。
放大倍数越大，观察到的物体越放大，但视场越小。
7.像的性质：光学仪器成像时，像的性质包括大小、形状、位置、方向等，这些性质可以通过成像公式进行计算。
三、常见光学仪器及其应用1.显微镜：显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器，广泛应用于生物学、医学等领域。
2.望远镜：望远镜是一种用于观察远处物体的光学仪器，广泛应用于天文观测、军事、航海等领域。
3.照相机：照相机是一种用于捕捉光学图像的仪器，广泛应用于摄影、电影、广告等领域。
4.投影仪：投影仪是一种将图像投射到屏幕上的光学仪器，广泛应用于教育、商务等领域。
5.眼镜：眼镜是一种用于矫正视力的光学仪器，根据个人视力需求，使用不同度数的透镜进行矫正。
光学系统与探测器PPT课件
• 3）光电三极管 • 光电晶体管类似普通晶体管也有电流放大作用。
只是它的集电极电流受光的控制，不只是受基极 电路的电流控制。 • 管型为NPN型，集电极加正电压，集电结为反偏 置，发射结为正偏置，集电结为光电结当光照到 集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入， 同时在集电极电路产生了一个被放大的输出电流 Ic[=Ie=(1+β)Ip)]，β为电流放大倍数。 • 在一定的光强范围，输出电流与入射光强成线性 关系，入射光强变化3~5个数量级时光电流明显 非线性
• PN型：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性 图像传感器、分光光度计、照相机曝光计
• PIN型（光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很 低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达 到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。 由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征 （Intrinsic）半导体，故称I层，因此这种结构成 为PIN光电二极管）：高速光的检测、光通信、 光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真
• 锑化铟InSb光敏电阻：中红外3~5μm （第二个大气红外 窗口）
• 碲镉汞光敏电阻：8~14μm远红外（第三个大气红外窗 口），峰值响应波长μm （和CO2激光器激光波长匹配）
• 主要用于光电自动探测系统、光电跟踪系统、导弹制导、 红外光谱系统等
• 3.光伏探测器
• 1）光电池
• 光电池是一种特殊的半导体二极管，在光的照射下产生电 动势（光生伏特效应），能将可见光转化为直流电。引起 光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子
型值为
• 探测率高（有较大的均匀光敏面） • 受环境温度影响小 • 易受外界振动影响 • 对恒定辐射没有响应，只对交变辐射有响应
光学成像系统设计及其应用分析
光学成像系统设计及其应用分析光学成像系统是将光学信息转化为电信号的设备。
它是由光学元件、图像传感器、信号处理电路组成的。
其中，光学元件包括透镜、棱镜、反射镜、滤光片等，图像传感器包括CCD、CMOS等，信号处理电路包括AD、DA转换器、数字信号处理器等。
光学成像系统的设计中，需要考虑许多参数，如成像质量、成像范围、成像密度、亮度等。
其中，透镜是最重要的光学部件之一。
透镜的质量好坏直接影响着成像质量。
透镜的参数包括焦距、口径、光圈等。
焦距越大，则透镜成像距离越远；口径越大，则透镜可采集的光线越多，从而可获得更大的成像区域；光圈则是透镜通过的光线的大小，光圈越大，则传感器获得的光线越多，成像质量越好。
成像传感器的选择也是光学成像系统设计的一个关键环节。
目前，常用的成像传感器有CCD和CMOS两种。
CCD成像质量较好，但成本高。
CMOS成本较低，但成像质量相对较差。
根据实际应用需求，需权衡其成本和成像质量，进行合理选择。
信号处理电路是将图像传感器采集到的模拟信号转化为数字信号的过程。
由于采集到的模拟信号一般较弱，容易受到噪声的干扰，因此还需要进行信号放大处理。
在数字信号处理过程中，可以对图像进行增强、降噪等处理，以提高图像质量。
光学成像系统的应用非常广泛。
例如，数字相机、望远镜、显微镜等都是光学成像系统的典型应用。
数字相机的成像质量对照片的质量影响很大，高质量的相机具有更加真实、细腻的图像表现；望远镜可以将远处的景物放大让人们察觉，充分展现千姿百态的天文现象；显微镜可以放大细胞、微生物、分子等微观粒子，为科学研究提供重要工具。
总之，光学成像系统是以光学元件为基础、图像传感器为接口、信号处理电路为支持的综合性设备。
具有广泛的应用场景和重要的研究价值。
设计者需完善考虑光学元件、图像传感器、信号处理电路等参数，以获得满足实际需求的高质量、高效率的成像系统。
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经模拟计算得 到在焦面上 的像点弥散斑 图见 图 ２ ，
弥 散斑 尺寸 如表 ２所 示 。
∞ ： ８ ８ Ｅ Ｓ ０Ｇ ０ ：３ 锄 眶 Ｇ Ｂ 。． ０ ： 日 ． Ｂ ∞ 缸
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Ｉ ：Ｏ ０ ０ 州 ｍ Ｂ ０ Ｂ 憾 ．０ Ｄ 。 Ｅ
测仪 ， 具有非 常宽的视场范 围， 是力争 在我国下一
代气象卫星上使用 的重要有效 载荷。它能够实现
高频次 、 高精度 、 高分 辨率 和大 范 围观测 的仪 器。 它能够观测大气中云 和气溶胶 的粒子结构 、 云的相 态和云的空间分布 ， 以及云 的层次结构等重要气象 参数 ， 为我 国的数值 天气预 报提供实 时观测 数据 、
维普资讯
第７ 卷 第５ 期 ２０ 年 ３ ０７ 月 １７ ． ８９ ２０ ） ．８０ ０ ６ １ １１ （ ０ ７ ５０ １．６ ． ． ．
科
学
技
术
与
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图 ３ 主光学系统调制传递 函数 曲线
∞ ：Ｓ ６ Ｅ ３． ３ Ｄ Ｇ
经 过公 差 分 析 ， 求 各 块 镜 片 的 位 置 公 差 、 要 同
≯
来收集空间信息 ， 会聚 目标信号 的能量。为 了实现 高分辨率和高精度的探测 ， 系统设计要求广角镜头 系统具有很高的成像质量 ， 并具 有很 高的力学稳定
性和热稳定性。因此 ， 在设计 阶段就利用有限元技
航天遥感应用 ， 以在设计 时 ， 所 必需 考虑 承受 高能 粒子轰击 的能力而保 持张
韬 ， ： 角多通道成像探测仪 主光学系统 的结构设计 等 广
对于 主光 学系统 ， 中 Ｄ是系 统入 瞳直径 为 式
０ ７ 是 系 统 焦距 为 ３４ ｍ， Ａ为 波 段 中 ．８ｍｍ 厂 ． ７ｍ 取
心位置 的 ０ ７ ｍ， ．６ 求得主光学系统衍射斑半径为 ４ １ ｍ。 ２中主光学系统 中心 区域弥散斑几何 ．２ 表 半径小于其衍射斑半径 。因此 ， 中心区域该主光 在 学系统的分辨率 由衍射分辨 率决定 ， 而在四周则 由 于具有一 定 的残 余色 差 和像 散 ， 像 质量有 所下 成 降。该系统的调制传递函数如图 ３ 所示。
轴度公差和倾斜度公差等分别如表 ３ 表 ４ ， 所示。
表 ３ 镜 片 的 公 差
￡ ：３， ７ Ｍ ｍ ８ ＢＭ
２ ０ Ｓ ｉ Ｔ ｃ ． ｎｎ ． ０ ７ Ｃ ． ｅｈ Ｅ ｇｇ
航空航天
广 角多通道 成像探测仪 主光学 系统的结构设 计
张 韬 吴航 行 王模 昌
（ 中国科 学院上 海技术 物理研究所 ， 上海 ２０ ８ ） ００ ３
摘 要
介绍了广角多通道成像探测仪主光学装置光学系统和机械结构的设计， 分析 了光学系统的成像质量， 利用有限元技 光学设计 机械设计 有限元分析
１ 广角镜头光学设计
１ １ 光学 系统 方 案的确 定 ．
口径 ， 减小观测角度 。后 面部分 由消色差的透镜组 成 。增大后工作距 离是为滤 光片轮和探测 器前面 的保护玻璃提供很必要的空间。 广角镜头 的成像质 量对 于仪器整个光学 系统
广角多通道成像 探测仪 光学镜头按 系统设计
＼
术对机械结构进行 了 分析和 计算， 得到 了满足仪器 性能要求 的设计结果 。
关键词 广角多通道成像探测仪
中图法分类号 １ １．９ ／ ４１； ４
文献标识码 Ａ
广角多通 道成像探测仪是一种 多通道成像 探
的视场范围 ， 瞬时视场大小为 ０ ４ （ ） ．３ 。 工作在可见 近红外波段—— （ ． ０ ５—１ ｘ 同时还要求仪器 视 ）Ｉ ｍ， 场内的畸变小于 １ 镜头焦距大小为 ３４ ｍ， ％， ．７ｍ 而 其后工作距离不小于 １ ｍ。 ５ｍ 对于这 种 大视 场角 光学 系统 ， 由于材 料 的色
题。为此 ， 镜头第一块透镜采用熔石英玻璃。
１２ 光学 系统 设计 结 果 ．
术对设计 的关键结 构进行 了力学分析和热分 析 ， 确
保设计正确可行。
设计完成的光学系统如图 １ 所示 ， 系统光栏放
置在镜头 内部 ， 头分为前后 两部分 ， 面部分分 镜 前
为第一组和第二组 ， 它们 的任务是扩大入射光束 的
Ｚ Ｍ Ｘ对光学系统的成像质量进行模拟计算。 Ｅ Ａ 将 主光学 系统设 计参数输入 软件 Ｚ Ｍ Ｘ 中， Ｅ Ａ
第一作者简介 ： 张
韬 （９０ ）男 ， １８一 ， 甘肃天水市人 ， 中国科学 院
上海技术物 理研究所 硕士。Ｅｍ ｉ Ａ ｄ ｗ ｚａｇ ｓ ．ｄ 。 — ａ ： ｎ ｒ ＿ｈｎ ＠ｕ ｃｅ ｕ ｌ ｅ ｔ
差、 图像 的像散和 畸变 等像差相 当严 重， 是镜 头像
差 中最难 以校正 的。多数超广 角镜头采用反 远距
为研究大气传输模型提供必要的科学数据。
该仪器 的主光学装置是一个 大广角镜头 ， 用它
光学系统结构 ， 在本项 目镜 头设计 中， 也采用这种
结构 。鉴于该镜头设计 的 目标是 面向未来 的航 空
要 求 ， 通 光 口径 不得 小 于 ０ ７ ｍ， 有 ±５ ． 。 其 ．５ｍ 具 ３ ６
２０ ０ ６年 ｌ ０月 １ ５日收到
的性能起 着重要 的作 用 ， 果 主光学 系统 质量 不 如 好， 整个光学系统就很难达到设计要求。根据超广 角镜 头 光 学 系 统 设 计 结 果 ， 用 光 学 设 计 软 件 利