飞行器成像光学系统在满足空气动力学性能的同时提升系统的飞行速率及飞行距离是目前的主要矛盾，共形光学系统的研究在飞行器成像方面有着重要的应用价值，逐渐成为近几年来国内外众多科研单位竞相研究的课题。共形光学系统是光学系统与窗口整流罩的一体化结合，目前很难找到一本书能够涵盖共形光学系统的设计、加工与检测等技术。本书以共形整流罩为主要研究背景，在光学设计的基础上，结合当代超精密加工技术和检测技术的国内外**发展动态，细致而详尽地介绍了共形整流罩的关键问题和解决手段。本书在对共形光学系统的产生背景、发展现状及存在问题进行研究的基础上，详细阐述了共形整流罩的像差理论，并结合像差理论循序渐进、由简入深地介绍了含同轴、离轴整流罩共形光学系统的设计方法。同时根据实际情况，分别阐述了共形光学系统动态像差校正技术、共形整流罩的加工和检测技术。本书在介绍理论的实例时，适时加入了作者们的理解，希望通过理论结合实践，将整个共性光学系统技术的各个侧面展示给读者。本书的初衷是藉此抛砖引玉，带动更多相关技术的发展和创新。

共形光学系统的研究在飞行器方面有着重要的应用价值。飞行器技术研究应用的一个重要方向是军事领域，以军事运输、精确跟踪和打击为目的。用于飞行器成像的光学系统一般由光学整流罩、成像系统、探测器以及后续姿态控制装置组成。光学整流罩有两个作用： 一是保护内部系统免受外界环境的干扰； 二是使系统的空气动力学性能满足现有环境下的应用，提升系统的飞行速率和飞行距离。通常情况下，这两方面是相互矛盾的，不能同时提升。

传统的高速飞行器一般采用球形整流罩，其光学系统设计和制造相对简单，但高速飞行时会产生较大的阻力，严重影响飞行速度和射程。为了解决这个问题，“共形光学”概念应运而生。使系统拥有“共形光学”优越的空气动力学性能的同时不引入过多的像差，并使系统的成像质量也保持在一个较高水平。相对于传统的球形整流罩，共形整流罩采用的是流线型曲面，能够有效克服上述缺点，具有良好的气动性能、雷达散射截面小、改善飞行器头部的热流特性等一系列优点。这些优点对于高速飞行器军事性能的提高有着重大意义，逐渐成为近几年来国内外众多科研单位竞相研究的课题。

共形光学系统与传统光学系统的差别主要表现在以下几个方面： 

(1) 共形光学研究的是特殊的光学窗口，它能与系统平台的外形轮廓实现平滑吻合，提高系统空气动力学性能，共形光学技术使光学窗口形状突破传统光学的限制； 

(2) 共形光学表面具有很高的自由性，可以是圆柱面、圆锥面或尖顶形状等任意组合出的自由曲面，也可以是共轴的，例如尖拱形导弹整流罩，还可以是离轴的，比如自由形态的机翼； 

(3) 共形光学系统中光学元件的加工不只是传统的粗磨、精磨和抛光工艺，还需要用先进的非球面镜面型加工、检测技术； 

(4) 离轴光学元件不具有几何轴的特性，且移动变化时产生了多种不同的离轴像差，依靠原来的同轴调整技术已经难以确保新系统的精度，需要进一步研究此类系统的计算机立体辅助装调技术。

本书以共形光学系统为主要研究背景，在光学设计的基础上，结合当代超精密加工和检测技术的国内外最新发展动态，细致而详尽地介绍了共形光学系统的关键问题和解决手段。本书在对共形光学系统的产生背景、发展现状及存在问题

进行介绍的基础上，详细阐述了共形光学系统的像差理论，并结合像差理论循序渐进、由浅入深地介绍了同轴共形光学系统

及离轴共形光学系统的设计方法。同时根据实际情况，分别阐述了共形光学系统动态像差校正技术、共形光学系统的加工和检测方法等。

作者先后承担过多项研究项目，如国家“863”计划、国家自然科学基金项目、中国航天科技集团航天基金项目等，并指导多名博士研究生与硕士研究生顺利毕业。为了方便大家系统地了解共形光学系统的基础理论、设计及加工检测方法，作者以近10年的科研与教学经验为基础，撰写了本书。本书涉及的内容属于目标跟踪的热点与瓶颈，符合科学发展与国内科研、生产的需求。

本书全面讲解了共形光学系统的基础理论及工程设计、加工检测方法，内容循序渐进、覆盖全面，采用了以实例推动基础知识讲解的写作方式，可帮助读者直观地了解共形光学系统的设计技巧，回避了枯燥的基础知识讲解，力求快速提高读者工程应用

的能力。

在此，要特别感谢我的两位导师——中国工程院院士、长春理工大学的姜会林教授和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的翁志成研究员的谆谆教导，促使我们始终坚持此方向的研究。衷心感谢中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室和北京理工大学光电学院的同事、朋友和学生的帮助，感谢张运强、徐况、张正慧、何伍斌、宋大林、冯萍、李衍璋、冯帅、钟乐、穆郁、郭雨桐、许祥馨、石鑫鑫、田江宇、赵雪惠、杜杉、黄翼、张文超等同学为本书所做的重要贡献。

由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，欢迎广大读者对本书提出意见和建议。

作者

2021年1月

第1章共形光学系统概述

1.1共形光学的概念

1.1.1共形光学应用背景

1.1.2共形光学的概念及性质

1.2共形光学的发展现状

1.2.1共形光学研究现状

1.2.2共形光学应用现状

1.3共形光学的难题

1.3.1设计难题

1.3.2制造难题

1.3.3检测难题

参考文献

第2章共形整流罩的设计方法

2.1共形整流罩概述

2.1.1共形光学系统参数和定义

2.1.2共形光学系统面型选择

2.1.3椭球形整流罩的数学特性

2.1.4整流罩空气动力学分析

2.1.5整流罩长径比的选择

2.1.6红外探测距离分析

2.1.7整流罩材料的选择

2.1.8实现共形整流罩视场扫描的机械结构

2.2传统球形整流罩的像差特性

2.3共形整流罩的像差特性

2.3.1扫描视场对共形整流罩像差的影响

2.3.2长径比对共形整流罩像差的影响

2.3.3厚度对共形整流罩像差的影响

2.3.4抛物面、尖拱面、圆锥面整流罩的像差特性

2.3.5万向节连轴器位置对共形整流罩像差的影响

2.3.6泽尼克像差系数表达式

2.4共形光学系统的像差校正器

2.4.1固定校正器

2.4.2弓形校正器

2.4.3泽尼克光楔校正器

2.4.4可变形反射镜校正器

2.5WW微分方程组校正彗差

2.5.1WW非球面设计方法

2.5.2光线定义方法

2.5.3WW微分方程组

2.5.4龙格库塔积分迭代法

2.5.5固定校正器算法实现

2.5.6设计实例与讨论

2.6WW非球面方程组的改进

2.6.1WW方程组的设计思路

2.6.2一般化非球面设计公式的推导

2.6.3孔径光线抽样方法

2.6.4设计实例与讨论

参考文献

第3章含同轴整流罩的共形光学系统设计方法

3.1凝视光学系统的设计方法

3.1.1红外凝视成像系统

3.1.2大视场、大长径比凝视系统设计

3.2扫描光学系统设计方法

3.2.1旋转光楔扫描光学系统

3.2.2双光楔扫描光学系统

3.2.3超广角扫描光学系统

3.3步进变焦距共形光学系统设计方法

3.3.1步进变焦系统成像基本原理

3.3.2步进变焦系统设计要求及系统参数

3.4双波段二次曲面固定校正板系统设计方法

3.4.1可见光光学系统设计

3.4.2红外光学系统设计

3.4.3双波段共形光学系统组合

3.5共形双模光学系统设计方法

3.5.1共形双模光学系统成像原理

3.5.2共形双模光学系统设计

参考文献

第4章含离轴整流罩共形光学系统的设计方法

4.1偏心倾斜光学系统像差理论

4.2整流罩建模与像差特性分析

4.2.1整流罩建模

4.2.2偏心整流罩像差分析

4.2.3倾斜整流罩像差分析

4.2.4离轴舷窗像差分析

4.3偏心倾斜光学系统设计方法

4.3.1偏心整流罩光学系统设计

4.3.2倾斜整流罩光学系统设计

4.3.3离轴舷窗像差校正

4.4机载摆镜扫描红外光学系统设计方法

4.4.1机载红外成像系统介绍

4.4.2系统参数及设计方法

4.4.3系统像质评价

4.5机载转鼓式扫描红外光学系统设计方法

4.5.1系统参数及设计方法

4.5.2系统像质评价

参考文献

第5章共形光学系统的动态像差校正

5.1共形整流罩耦合场有限元分析数值计算

5.1.1流固耦合有限元分析方法

5.1.2热固耦合有限元分析方法

5.1.3热流固耦合有限元分析方法

5.2共形整流罩有限元分析

5.2.1共形整流罩有限元分析流程

5.2.2共形整流罩以及工作环境网格划分

5.2.3共形整流罩超音速飞行分析

5.3共形整流罩表面形变分析

5.3.1共形整流罩表面热变形分析

5.3.2共形整流罩面型变化量泽尼克像差系数转换

5.4空间光调制器校正共形光学系统动态像差

5.4.1累斯莱光楔对扫描动态像差校正系统

5.4.2空间光调制器对动态热像差的校正

5.4.3空间光调制器误差容差分析

5.5基于仿生小凹原理校正共形光学系统动态像差

5.5.1仿生小凹成像理论

5.5.2仿生小凹波像差理论

5.5.3变形镜实现小凹仿生动态像差的校正

参考文献

第6章共形整流罩的加工与检测

6.1共形整流罩的加工技术

6.1.1共形整流罩加工概况

6.1.2共形整流罩加工过程

6.1.3共形整流罩精密磨削

6.1.4磁流变抛光技术

6.2传统非球面检测技术

6.2.1轮廓测量法

6.2.2激光扫描法

6.2.3阴影法

6.2.4干涉测量法

6.3共形光学系统零位补偿检测技术

6.3.1补偿器的类型

6.3.2零位补偿检测系统结构参数计算

6.3.3设计实例结果与分析

6.4共形光学系统子孔径拼接检测技术

6.4.1子孔径的划分

6.4.2中心区域检测系统的设计

6.4.3环形区域检测系统的设计

6.5国内共形光学系统样机

参考文献

索引

本书循序渐近、覆盖全面，采用了以实例推动基础知识讲解的写作方式，回避了枯燥的基础知识讲解，为达到快速提高读者工程应用能力的目的。本书全面讲解了共形光学系统的基础理论及工程设计、加工检测方法，所用实例来源于工程实践，可帮助读者直观地了解共形光学系统的设计技巧，并使读者少走弯路，快速提高能力。

常军,研究员，博士生导师，教育部新世纪优秀人才，多年来从事新型光学仪器研发，作为第一负责人主持多项国家863、国防973、国家重点研发计划十三五、国家自然基金、国防重大预研和企业项目等。出版著作三部，国内外期刊发表论文90余篇，SCI/EI检索40/50余篇，授权发明专利 24项。累计研制开发百余款新型光学设备，研究成果受到多位院士专家的肯定，应用于多家科研院所，主要产品分别用于核设备运行监控及列装于武器装备系统，为我国国防建设和核安全等领域做出应有贡献。一直承担本科生与博士生课程各一门，带领学生获得全国光电赛一二等奖各两项。指导学生四人获得国家奖学金，一人获得中国仪器仪表奖一等奖。