基于反向旋转位相板的共形光学系统设计

在共形光学系统中,椭球形整流罩打破了球形整流罩的旋转对称性,引入了随目标视场变化而变化的动态像差。共形光学设计的主要任务就是消除或者减小椭球形整流罩引入的动态像差,使共形光学系统的成像质量满足使用要求。设计了基于反向旋转位相板的共形光学系统,利用一对反向旋转位相板的反向旋转对目标视场进行动态扫描,利用固定校正器、衍射元件和泽尼克位相板校正了椭球形整流罩引入的动态像差。成像系统采用二次成像的透射式结构,实现了冷光阑效率100%。结果表明:该方法不仅有别于传统扫描方式,而且有效地消除了大长径比的共形光学系统的动态像差。     

基于Wassermann-Wolf方程的共形光学系统设计研究

提出了基于多项式拟合Wassermann-Wolf曲面设计共形光学系统的设计方法，并给出了完整的设计结果.共形光学系统要求导弹整流罩具有流线型几何外观以减少空气阻力，其次考虑导引头的光学系统设计，所以共形整流罩引入的像差通常高达几十甚至一百个波长量级，为导引头光学系统的设计带来了极大的困难.通过多项式拟合Wassermann-Wolf曲面提供共形光学系统初始结构，建立Zernike多项式特殊优化函数取代传统的光学系统评价函数，克服了用传统光学设计方法设计共形光学系统时系统评价函数收敛缓慢的问题，实现了共形光学系统的设计.设计结果表明，系统的调制传递函数在整个目标视场范围内达到了衍射极限.     

消像差条件在共形光学系统中的应用

根据轴对称光学系统中的消像散条件探讨了共形整流罩结构中消像散万向节点位置的存在性.在此基础上,对共形光学系统中消像差万向节点位置进行了理论推导.软件分析结果表明,轴对称光学系统消像差条件对于共形光学系统的设计仍有良好的指导意义,由此得到的"消像差"共形光学系统的残余像差已处于实际成像系统的像差校正能力范围之内.     

利用衍射光学元件进行共形整流罩像差校正的研究

建立了共形整流罩的模型结构，分析了其成像特性，并提出了采用加入衍射元件的方法来设计共形整流罩后的校正板，软件模拟结果表明带有衍射面的校正板能够进一步地改善共形整流罩成像质量. 关键词： 共形光学 整流罩 像差校正 衍射光学     

基于固定校正元件的凝视型共形光学系统设计

为提高凝视型共形光学系统的成像质量,提出了采用共形整流罩内表面设计与Zernike Fringe Sag面固定校正板设计相结合的固定校正方法。根据建立的入射光线与出射光线方向的偏离角与整流罩参数的关系,设计整流罩内表面参数,减小共形整流罩引入的部分像差。在此基础上,利用Zernike Fringe多项式各项与像差的对应关系,构建Zernike Fringe Sag面固定校正板。基于该设计方法设计了一个凝视型共形光学系统,其F数为1,焦距f为30 mm,观察视场为±35°。分析了校正前后系统的像差特性。设计结果表明,该方法有效地减小了共形光学系统存在的主要像差,整个观察视场范围内调制传递函数(MTF)曲线在17 lp/mm处均达到0.748以上,成像质量良好。     

利于像差校正的共形整流罩内表面面形设计

共形光学系统中,椭球形等厚度整流罩使入射的平行光线经过整流罩后不再平行,变为发散的光线,进而使系统像差急剧增加,不利于后续像差的校正。通过对等厚度共形整流罩的内表面进行重新设计,打破了共形整流罩的等厚度条件,从而在使用较少校正光学透镜的基础上实现了系统像差的校正。通过分析不同级次非球面分别作为整流罩内表面面形时的像差校正效果,确定了将6次非球面作为共形整流罩内表面面形初始结构。通过对内表面进行优化设计,最终得到整流罩内表面面形。结果表明,该方法有效地减小了共形整流罩引入的像差。最后使用固定校正器对内表面变化后的整流罩进行了像差校正,设计结果表明,内表面的改变有效地减少了光学元件数量,消像差效果良好。     

基于固定校正镜的折衍共形光学系统设计

设计了一个大扫描视场的折衍混合红外共形光学系统,共形成像系统工作波段为3.7～4.8 m,相对孔径为1/2,焦距为120 mm,扫描视场为40。由于共形光学系统具有大偏心、大倾斜光学特性,像差校正难度较大,设计中采用固定校正镜和折衍混合混合结构校正了共形光学元件的像差,引入了非球面和衍射面有效消除了各个扫描视场的像差。设计结果表明:光学系统光阑与探测器冷光阑重合,满足100%冷光阑效率。在40扫描视场范围内,共形光学系统的光学传递函数曲线接近衍射极限,成像良好。     

基于反转光楔和泽尼克多项式的共形光学设计

采用一对反向旋转的累斯莱棱镜可以实现对目标视场的动态扫描,并应用一对内表面为泽尼克边缘矢高表面的透镜对共形光学整流罩引入的主要像差进行校正,剩余像差则由累斯莱棱镜内表面进行补充校正.设计实例中,通过比较光学系统校正前后的成像质量以验证这种校正方法的有效性.     

共形整流罩像差特性分析及校正方法

共形结构不仅具有良好的空气动力学性能,且不存在由于表面不连续造成的热梯度等问题,因而采用该结构的导弹整流罩更有利于导弹系统作战性能的提高。但共形结构中采用的非球面罩曲面使整流罩表现出许多不同于球形结构的动态特性,这给导引头中光学系统的设计带来很多困难。在分析共形结构一阶特性的基础上,利用矢量像差理论详细分析该结构中初级像差产生的原因及特点,并提出通过控制元件的倾斜和偏心来平衡所有观察视场中像差的方法。软件分析结果表明：加入倾斜偏心元件后可适当放大小观察视场中的像差,共形整流罩在各观察视场中具有较为稳定的像差特性,有效地改善了该结构的成像质量。     

大视场红外导引头光学系统消热差设计

为消除温度变化对共形光学导引头像质的影响,利用光学被动消热差理论对具体设计方法进行实际分析.根据消热差条件选择合理的透镜材料组合,利用衍射元件特殊的光热特性采用折/衍混合结构进行消热差设计.采用椭球形共形整流罩结构减小空气阻力,降低导弹头部气动加热效应,利用三片式反远距结构实现短焦大视场系统设计.该系统工作波段为3～5 μm,系统F/#为2,视场角为±90°；凝视结构的导引头光学系统后工作距达22.8 mm,为制冷型探测器留有足够的空间；冷光阑效率为100％；在-40℃～60℃温度变化范围内,15 lp/mm处全视场MTF值均大于0.4,满足高准确度定位导引头系统对成像质量的要求,保证了系统的轻小型设计.     

Dynamic aberrations correction of Roll-Nod conformal seeker based on the diffraction surface and anamorphic asphere surface

Traditional optical domes are spherical, which have a large air resistance coefficient. In order to reduce the coefficient of air resistance, conformal optical technology was proposed, which used a streamlined design of the outer surface of the dome. However, conformal domes generate dynamic aberrations varying significantly with look angles in the field of regard(FOR). Thus, correcting the dynamic aberrations is the core task of conformal optics. This Letter presented a correcting method of dynamic aberrations based on the diffraction surface and anamorphic asphere surface. This method is derived from the arch corrector and can only be used on the Roll-Nod gimbal. For the seeker with a Roll-Nod gimbal, the arch corrector is replaced with a diffractive surface superimposed on the inner surface of the conformal dome. To correct astigmatism, which is the main aberration that needs to be corrected, anamorphic asphere surfaces are used in the imaging system. Compared with the arch corrector, this method can reduce the size of the correction element while retaining sufficient design freedom. Design results show that this method can well correct the dynamic aberrations in a larger FOR. With a simpler form in structure, this method can improve the reliability of conformal optical systems and promote the application of conformal optical technology.     

Conformal optical system design with a single fixed conic corrector

A conformal optical system refers to the one whose first optical surface conforms to both aerodynamic and imaging requirements. Appropriate correction is required because a conformal dome induces significant aberrations. This paper intends to explain that an effective solution to the easy-fabrication conic surface corrector compensates aberrations induced by a coaxial aspheric dome. A conformal optical system with an ellipsoid MgF₂ conformal dome, which has a fineness ratio of 2.0, is designed as an example. The field of regard angle is pm 30 degrees with a pm 2 degree instantaneous field of view. The system's ultimate value of modulation transfer function is close to the diffraction limit, which indicates that the performance of the conic conformal optical system with a fixed conic corrector meets the imaging requirements.     

特殊整流罩窗口的非对称像差研究

分析了居中球形整流罩的波像差和偏心球形整流罩的波像差。为了分析共形整流罩的一般像差特性,建立了不同类型的整流罩模型,重点分析了像散和彗差,讨论了一阶和五阶像差,并与球形整流罩和偏心球形整流罩的相应像差做了比较。分析了长宽比、边缘厚度与顶点厚度比对像差的影响。     

Aerodynamic heating of the dome on imaging quality degradation of conformal optical systems

The aerodynamic flow field surrounding the conformal dome was calculated. The thermal response of the aerodynamically heated conformal dome was analyzed. Gradient refractive index method was used to rebuild the non-uniform refractive index field of the conformal dome. Zernike polynomial fitting method was employed to establish the deformed surfaces of the conformal dome. Zernike aberration theory and modulation transfer function were adopted to evaluate the imaging quality of the conformal optical system. The results show that the aerodynamic heating of the dome severely affects the imaging quality of the conformal optical system.     

大视场红外导引头光学系统消热差设计

为消除温度变化对共形光学导引头像质的影响,利用光学被动消热差理论对具体设计方法进行实际分析.根据消热差条件选择合理的透镜材料组合,利用衍射元件特殊的光热特性采用折/衍混合结构进行消热差设计.采用椭球形共形整流罩结构减小空气阻力,降低导弹头部气动加热效应,利用三片式反远距结构实现短焦大视场系统设计.该系统工作波段为3~5 μm,系统F/#为2,视场角为±90°;凝视结构的导引头光学系统后工作距达22.8 mm,为制冷型探测器留有足够的空间;冷光阑效率为100%;在-40℃~60℃温度变化范围内,15 lp/mm处全视场MTF值均大于0.4,满足高准确度定位导引头系统对成像质量的要求,保证了系统的轻小型设计.