大量程激光位移传感器的成像系统设计

为了解决目前国内自主研发的激光位移传感器基准工作距离短和测量范围小的问题,设计了一种适用于远距离测量的大量程激光位移传感器成像光学系统。基于激光三角测量原理,结合具体使用要求计算了大量程激光位移传感器的性能指标和成像光学系统的设计参数。选择5片式透镜结构作为系统的初始结构,利用光学设计软件对大量程激光位移传感器成像光学系统进行了仿真,完成了系统优化和性能分析,实现了基准工作距离为1 000 mm、量程为±500 mm、分辨率为0.4 mm的大量程激光位移传感器成像系统设计。结果表明,在测量范围±500 mm内,系统均可以满足成像质量要求。该激光位移传感器成像系统具有工作距离远、测量量程大、结构简单的特点,可满足1 000 mm远距离处大量程范围的测量使用要求。     

大孔径大靶面昼夜型监控镜头光学系统设计

为了满足交通监控对图像质量不断提高的要求,设计了一款大孔径、大靶面、昼夜型光学系统。采用近对称结构,调整第一组元结构参数,平衡昼夜共焦面的设计思路,较好地控制了垂轴像差和离焦量,实现了大孔径、大靶面、昼夜型光学系统的设计要求。成像系统对可见光和近红外波长0.79 m进行了双重组结构优化设计,实现了日夜离焦量小于0.005 mm,在空间频率为130 lp/mm时,全视场MTF＞0.3。对该光学系统进行容差分析和讨论,提出把控元件偏心公差可有效抑制由于生产制造使得实际成像和理论成像偏差过大等问题。     

大口径红外离轴三反光学系统设计及公差分析

在空间光学领域中,光学系统的发展趋势为长焦距、大视场、轻量化、大相对孔径、高成像质量等。为适应该发展趋势,对大口径反射式光学系统进行研究,在共轴三反系统的成像理论基础上,为避免中心遮拦,提高成像质量,采用视场离轴方式,设计了一款大口径离轴三反式光学系统。该光学系统在奈奎斯特空间频率17 lp/mm处,光学传递函数MTF大于0.75,成像质量接近衍射极限。此外,光学系统公差的合理分配是影响相机总体性能的主要因素,运用公差灵敏度分析和反转灵敏度分析,计算各公差对光学系统成像质量的影响,给出了合适的公差分配,经过模拟分析,按照给定的公差加工装调,系统光学传递函数大于0.55。     

观瞄系统光轴平行性原位检测的光学系统设计

为了实现在车载观瞄系统原位不解体条件下快速、准确的性能检测,利用离轴反射式大口径平行光管搭建光学系统。基于TracePro实现对该光学系统光线追迹,对光斑质量和精度计算进行了研究。在分析离轴反射式平行光管性能和结构的基础上,设计了测试装置的光学系统;分析了该光学系统主要的误差来源及大小,结合误差合成理论计算其检测精度。结果表明:成像在该光学系统焦点处的光斑能量分布较为集中,距中心点0.6mm范围内的光斑能量占总能量的81.39%,该光学系统的检测精度能够达到2.9226″。满足了对车载观瞄系统光轴平行性原位检测时的精度要求,测试装置的架设、校准也较为容易。     

大视场大相对孔径双波段夜视R-C系统设计

为了利用可见光波段和长波红外波段所蕴含的不同信息进行数据融合和实时彩色显示,设计了一种大视场的单通道双光谱R-C结构。双谱光学系统的具体结构为R-C系统加校正镜,采用主镜后分光,利用二向分光镜反射可见光波段,透射长波红外波段。全视场角和相对孔径分别为5°和1∶1.7;次镜遮拦比为1∶3;光学系统在可见光波段MTF=0.60的成像质量对应的空间频率为50 lp/mm,在长波红外波段MTF=0.30的成像质量对应的空间频率为15 lp/mm。对该系统的结构特点进行分析和讨论,给出了各种像差曲线和光学传递函数。     

多波段红外离轴三反光学系统的设计

单一红外波段的光学系统在无人机对地侦察时接收到目标信息量较少,也易受环境的影响甚至无法探测到目标,严重影响了侦察的效率.分析了多波段红外光学系统成像原理及设计方法,最终选取反射式结构形式设计了一款焦距为50mm、全视场为12°×10°的离轴三反红外光学系统,该系统可用于短波红外成像、中波红外成像,以及长波红外成像.各个...     

光栅色散临边成像光谱仪的研究

临边成像光谱仪是一种对大气遥感探测有重要研究和应用价值的新型空间光学遥感仪器。从大气临边成像光谱探测的原理出发,设计并研制了光栅色散紫外/可见临边成像光谱仪原理样机。该样机采用宽波段折射式消色差前置望远光学系统与改进的Czerny-Turner光谱成像系统匹配的结构型式,其中,前置望远光学系统为像方远心,光谱成像系统为物方远心。工作波段为540~780 nm(一级衍射光谱)和270~390 nm(二级衍射光谱),通过切换可见、紫外带通滤光片来实现两个波段分别探测,质量为8 kg,体积为450 mm×250 mm×200 mm。实验检测结果表明,该样机的空间分辨率为0.45 mrad,光谱分辨率为1.3 nm,均满足设计指标要求,并且具有体积小、质量小等特点,适合空间遥感应用。     

采用树脂透镜的掌纹图像采集光学系统设计

为了获得高分辨率、高对比度和低畸变的掌纹图像,同时实现系统的轻量化和高性价比,本文基于全反射原理,采用树脂材料设计了一款由6片镜构成双远心光路的掌纹采集光学系统。树脂材料的选用减轻了光学系统的总重量;基于光的全反射原理的系统设计增强了掌纹图像的对比度;选择双远心光学结构,便于对倾斜物面所产生的梯形畸变进行矫正。对所设计光学系统的成像质量分析表明,该系统所有视场的光学传递函数（MTF）在Nyquist频率228 lp/mm处均达0.55以上,畸变〈0.14%。设计的光学系统可以采集120 mm×160 mm的手掌区域,实际手掌面上的分辨率达到500dpi,采集的掌纹图像分辨率达到8.0×106 pixel,满足了实际采集的要求。     

变焦结构光成像系统的光学设计

为了实现快速低成本改变光学系统焦距,设计了基于液体透镜的变焦结构光三维成像镜头和微透镜阵列。系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构, F#为3.2,全视场大小为10 mm,总长180 mm,焦距变化范围54 mm~61 mm。结果表明:该系统能实现投影距离227 mm~256 mm调节,调焦过程中目标表面清晰,细节分辨率高,系统在整个变焦区域内,在40 lp/mm时,全视场MTF优于0.2,系统场曲小于0.2,畸变小于0.2%。柱面微透镜阵列整体尺寸为10 mm×10 mm,周期宽度为1 mm,厚度为1 mm。随着投影距离的增长,光学系统成像质量先上升后下降,在237 mm处成像质量最优,随着投影距离的增加,光学系统的放大倍率增大,光学系统整体相对照度不均匀性小于0.2。     

大面阵连续变焦面阵扫描红外光学系统设计

基于红外扫描图像系统理论,设计了一款采用大面阵1 280×1 024 pixel@12μm/F2中波制冷传感器的连续变焦面阵扫描红外光学系统。按照设计指标要求,对光学系统参数进行分析后,确定采用像方扫描方式补偿扫描平台运动产生的积分时间内的物面移动,解决面阵探测器扫描时的热成像拖尾现象,望远系统采用二次成像、负组元变倍、正组元补偿的结构形式实现连续变焦,即光学系统结构确定为三次成像的型式。在设计程序中对凸轮曲线、扫描光学系统的热冷反射做出分析调整。光学模拟结果显示：系统在扫描振镜往返情况下,全视场的MTF值在频率42 lp/mm处均大于0.3,并且凸轮曲线在整个变焦过程中平滑,没有出现拐点,最大压力角小于50°。最后,对系统开展了成像实验测试,实验结果表明：该控制系统能够在60 mm～600 mm区域连续变焦,在变焦过程中成像周围景色清晰可见,完全没有冷反射情况发生,同时系统在旋转扫描过程中成像均清晰稳定,没有拖尾现象。该系统可用于连续变焦搜索跟踪一体的红外系统中。     

折反射式空间相机光学系统设计与杂散光抑制

针对同轴两反射镜光学成像视场角受限、大视场角下成像对比度较低的问题,采用透镜组作为像差校正组,合理分配光学系统的光焦度及间距,来扩大两反射结构的成像视场角,提升相机全视场内的成像质量。以某一工程应用需要为例,设计并研制了焦距为750 mm、视场角2ω=3.45°、全视场平均传递函数在108 lp/mm处优于0.2的相机光学系统,且在未使用主镜筒外遮光罩的前提下,优化设计了次镜遮光罩以实现杂散光抑制。采用TracePro软件进行相机杂散光环境建模仿真,结果表明:在非成像视场角内的杂散光点源透过率(PST)的量值范围为10-3～10-6。系统满足传统地面目标探测成像要求,验证了紧凑型大视场折反射光学杂散光抑制结构的可行性,并为商用同轴折反射光学系统设计及优化提供了一定的参考。     

基于AOTF成像光谱仪主动变焦前置光学系统设计

声光可调协滤波器（AOTF）成像光谱仪可同时获取探测目标的空间图像和光谱信息,具有体积小、质量轻、中心波长挑选灵活等优势。提出一种基于AOTF成像光谱仪组合变焦光学系统设计方案并完成了主动变焦前置光学系统仿真设计。该方案由主反式变焦前置系统和具有任意放大倍数的投影系统组成,可实现大变焦范围主动变焦成像。前置光学系统的初始结构由主反式变焦系统设计理论确定,利用同轴系统的离轴解和参数优化完成离轴三反远心结构的设计和系统像差校正,构建逐步逼近优化法实现主动连续变焦。在Code V中的仿真结果表明：前置变焦系统工作波段为0.5～1.7μm,变焦范围为260～520 mm,短焦处调制传递函数大于0.68@34 lp/mm,长焦处大于0.45@34 lp/mm,全场的均方根半径小于0.345μm,成像质量良好。     

星载多角度偏振成像仪光学系统设计

星载多角度偏振成像仪是一种超广角画幅式低畸变成像的偏振传感器。介绍了多角度偏振成像仪的基本工作原理,从保证偏振测量精度和大视场成像质量要求出发,分析了光学系统的设计难点及光学系统的结构型式,最终采用了反远距型像方远心光路结构。根据光路结构的像差特点,采用非球面镜校正畸变及像散,改善像面照度的均匀性,依据这样的思路,运用光学设计软件对多角度偏振成像仪的光学系统进行了光线追迹和优化,其工作光谱范围为420~930 nm,全视场角为118.74°,焦距为4.833 mm,相对孔径为1:4,并对设计系统进行了像质评价,结果表明,光学系统的传递函数在全视场大于0.5@22.22 lp/mm,最大畸变为0.9669%,像面相对照度均匀性高于97%,经过光学系统的加工制造装调,成像质量满足实际任务要求。     

折/衍混合超轻小型投影式头盔光学系统设计

投影式头盔系统具有成像质量高,结构轻便等特点。分析投影式头盔光学系统设计参数的选择原则,并基于投影式物镜引入对角为1.55 cm的新型OLED显示器作为图像源,采用折射/衍射混合结构来减轻光学系统的体积和重量。通过ZEMAX软件对系统进行优化,设计得到一款质量仅1.35 g,直径11.32 mm的超轻小型三片式头盔显示器光学系统。系统中心视场MTF在32lp/mm处达到了0.52,在该空间频率下对应人眼的分辨率为1.85,′在大视场处,子午和弧矢MTF也均大于0.2,分辨率满足SVGA显示模式要求。     

双视场红外光学系统的无热化设计

基于中波红外320240制冷型探测器设计了一套双视场红外光学系统,利用光学被动式补偿温度焦移,实现对系统的无热化设计。介绍光学系统结构参数的求解过程,用Zemax软件进行设计,并对该系统在不同温度下进行仿真以及像质评价。实验结果表明:光学系统采用二次成像结构,使用8片透镜在3.7 m~4.8 m波段实现了50 mm和200 mm两档变焦,满足100%冷阑匹配,在-20℃~60℃温度范围内,系统Nyquist频率处MTF值均大于0.5。     

四通道微光偏振实时成像光学系统设计

为了提高微光成像质量,实现针对动态目标或变化场景的实时性成像的需求,基于偏振成像原理,并结合孔径分割技术设计了微光偏振实时成像光学系统。光学系统采用共口径四通道阵列结构,将4个待测偏振态分成4个独立的成像通道,通过子孔径成像镜组对探测器靶面进行四象限分割成像,每个偏振通道通过放置起偏状态不同的偏振片获取目标不同偏振态的强度图像,从而实现实时偏振成像。光学系统的设计焦距为100 mm、系统整体F数为1.2、工作波长范围为0.4 μm~0.85 μm、最低工作照度为1×10-3 lx、可输出1 080 pixel全高清图像。系统光学总长为167.5 mm,单通道镜头的MTF值在40 lp/mm处全视场均高于0.57。     

光电成像系统动态调制传递函数测量装置

在光电成像系统中,动态调制传递函数受到光学系统波像差、探测组件信号分辨率及传递特性以及载体运动引起图像模糊等环节对图像质量的综合影响,成为光电成像系统的重要参数之一。论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理,研制一种动态调制传递函数测量装置,其中光学准直系统焦距为10 000 mm,运动目标速度控制范围达到30 mm/s～5 000 mm/s,满足长焦距光电成像系统的动态调制传递函数测试。利用该装置进行了一系列的实验研究,结果表明,动态调制传递函数测量重复性优于0.01,测量不确定度达到U=0.05（k=2）。     

遗传算法宽光谱光学系统设计方法研究

针对宽光谱光学系统初始结构构建效率低、设计周期长的问题,提出基于遗传算法的宽光谱光学系统设计方法。推导等焦距、等像面成像条件,建立合理的优化目标函数,以光学结构参数作为遗传变量,利用研究的遗传算法解算出大量优异初始结构,筛选最优结构输入到光学仿真软件中,经过简单优化即可得到满足要求的宽光谱光学系统。以此方法设计了可见光、近红外宽光谱光学系统,系统成像波段为0.4～1.2μm,焦距为40 mm,视场角均为±5°,波段范围内焦距差异小于0.03 mm,且宽光谱范围内成像质量良好。     

折/衍混合的红外双视场光学系统设计

为了实现红外双视场光学系统两个视场间的快速切换,同时满足便携式及易安装的需求,设计了一种轻量化的折/衍混合红外双视场光学系统.系统采用折/衍混合和二次成像光学结构,利用光学设计软件对系统进行优化,评价了系统的像质,分析了系统温度补偿问题并给出其温度调焦曲线.系统工作波长为3.7～4.8 μm,能实现120 mm/60 mm两档焦距变换.设计结果表明,冷光阑效率达到100%,在探测器的Nyquist频率33 lp/mm处,轴外视场光学系统的调制传递函数大于0.3,系统光学总长为200 mm.整个系统包括7块透镜,只需移动一片透镜就能完成双视场的转换,结构简单,实现了轻量化和高质量成像.     

可见光/红外双视场全景式航空侦查相机光学系统设计

为提高航空侦查识别目标能力以及满足部队全天候作战需要,设计了一种应用于全景航空侦查相机的可见光/红外双视场成像光学系统。可见光光学系统焦距为165 mm/660 mm,相对孔径为1:8.8,视场角为9.1°×6.8°/2.3°×1.7°;红外光学系统焦距为75 mm/300 mm,相对孔径为1:4,视场角为8.3°×6.2°/2.1°×1.6°。采用有限焦距光学系统前面加一个望远系统的方法实现变倍,根据红外器件及可见光器件的像元尺寸计算出红外系统及可见光系统的奈奎斯特频率分别为33 lp/mm和91 lp/mm。在33 lp/mm处,红外光学系统大、小视场的MTF值分别为为0.35和0.37,在91 lp/mm处,可见光光学系统大、小视场MTF值分别为0.41和0.4,成像质量接近衍射极限,表明光学系统成像质量良好,满足实际工程使用要求。