短波红外棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪光学系统设计

提出了一种基于棱镜-光栅-棱镜分光器件的短波红外成像光谱仪光学系统,该系统由离轴三反射式望远物镜、准直镜、棱镜-光栅-棱镜和会聚镜组成,光谱覆盖950～2 500 nm,空间视场达到22.5°.在实现宽视场、宽波段设计的同时,优化设计了棱镜-光栅-棱镜分光器件的各个参量.通过偏斜会聚镜光轴和棱镜-光栅-棱镜光轴在光谱维...     

大口径像旋补偿系统的分析与设计

由成像系统和可控扫摆镜组合的具有周视功能的系统常出现像旋现象,根据反射棱镜具有调整光轴和引起像旋的性能,将不同的组合结构设计成像旋补偿系统,以相互抵消的方式来消除像旋的影响。利用平面反射镜组合代替反射棱镜的方式,消除棱镜加工等实际因素对通光口径的限制。根据反射棱镜转动定理分析扫摆镜产生像旋的原因,举例说明反射镜组合能够解决大口径扫摆光学系统的像旋问题。     

地平式离轴扩束光学系统装调技术

为实现地平式离轴扩束光学系统的高精度装调,利用4D干涉仪加装平面镜头配合标准平面镜实现自准直检测,并针对实际使用过程中镜筒需要绕俯仰轴旋转的问题,提出一种动态检测方法。根据实际装调结果,建立空间直角坐标系,利用旋转过程中光斑最大偏离量计算二轴正交误差。装调结果表明,采用自准直检测及动态检测方法,主镜面形精度为0.028 8λ@632.8 nm,系统波像差RMS为0.131λ@632.8 nm,二轴正交误差为2.06″。     

航空光电侦察平台内藏式扫描系统像旋分析及补偿

为了解决传统光电侦察平台外露球形结构增大飞机雷达散射截面的问题,提出一种采取双反射镜绕俯仰轴和方位轴旋转实现大角度扫描的方法,该扫描方式的外露尺寸小,可与载机进行共形设计以保证飞机隐身性能。基于光反射矢量理论,对扫描系统成像特性进行了研究,对双反射镜绕俯仰轴和方位轴旋转所产生的像旋进行了定量分析,得出了像旋角大小和方向与双反射镜旋转角度和方向的确切关系,并以此作为像旋补偿的理论依据,提出一种通过控制消旋棱镜消除像旋的双向控制方法,实现扫描镜与消旋机构的严格协同运动。通过成像实验进行了验证,消除了所产生的像旋,计算可得消旋精度均方根值小于8′,实现了较高精度光学消像旋。     

主焦点式光学系统的光机结构设计与装调检测

针对应用在极轴式望远镜中的主焦点式光学系统,从主镜的支撑设计与分析、主镜的装调检测、校正镜组件的设计装调和系统的装调检测等方面进行了深入的研究.充分应用了有限元法分析主镜的支撑、定心仪检测光轴的同轴度、平行光管检测系统像质等,得出了主焦点式光学系统的一般装调检测方法.装调后的主镜面形检测结果均方根值达到0.042 8λ,校正镜组的光轴同轴误差达到12.4″.对系统的像质评价采用能量集中度法,成像在靶面上的星点80%能力集中度在24 μm×24 μm范围以内,达到设计指标要求,说明系统结构设计合理,装调检测方法可行.该方法和思路可推广至其他主焦点式光学系统的装调检测工作.     

多基准轴透射式系统装调方法

星载光谱仪可获取空间连续分布的光谱数据,广泛应用于陆地植被和海洋环境探测.为了校正系统的畸变,采用离轴透射式成像透镜设计,系统存在3个光轴,光轴之间夹角达到0.606°,偏心量达到0.279 mm,传统的装调方法不能解决此问题.利用计算机辅助装调技术得出系统的敏感度分析结果,提出了一种新型多基准轴定心装调方法.通过结构...     

基于CGH多镜定姿定态的离轴光学系统装调方法

针对离轴光学系统装调过程中自由度高且互相耦合的问题,提出一种新的离轴自由曲面反射式光学系统装调方法,采用计算全息图（CGH）实现多镜共基准定姿定态,解耦合系统各镜片的装调自由度,显著降低系统装调复杂度;分析CGH用于定姿定态时的定位精度,提高系统装调精度和效率,适应不同构型的离轴光学系统。利用上述方法,完成口径为210 mm、视场为2°×2°的近红外长波红外双波段离轴反射式光学系统装调,全视场波像差RMS小于0.126λ（λ=632.8 nm）,达到设计预期,装配周期短,成像质量优良。     

高光谱成像仪中曲面棱镜的装调公差研究

基于曲面棱镜的光谱成像技术是近几年该领域研究的热点,但曲面棱镜前后球面的非共轴特性使得曲面棱镜的装调难度远大于传统共轴光学系统。装调误差是影响成像系统最终成像质量的重要因素,目前曲面棱镜高光谱成像仪的公差分配方法大多以系统调制传递函数(MTF)为评价指标,未考虑装调误差对谱线弯曲、色畸变的影响。利用几何光学方法研究了曲面棱镜谱线弯曲、色畸变的产生机理,构建了曲面棱镜光谱仪谱线弯曲、色畸变与曲面棱镜装调误差关系的数学模型,分析了曲面棱镜装调误差对高光谱成像仪光谱畸变的影响。通过几何光线追迹,对曲面棱镜装调误差的分析结果进行了验证。结果表明,谱线弯曲、色畸变和MTF对曲面棱镜装调误差的敏感程度存在显著差异。为了保证曲面棱镜装调误差引起的系统MTF下降容限在设计值的10%以内,进行了二次公差分配以得到最终公差分配结果,其中公差极限值最小的单项装调公差为X轴方向的倾斜误差,为实际系统的装调提供了参考。     

光学装调中的一种基于猫眼效应的焦距测试方法

在光学系统装调中,由于光学元件的面型误差、加工误差等影响因素的存在,使待装调的光学系统的装调失调量并非为一个确定的准值,而是一个范围值,在失调量范围内,可能存在不止一组Zernike系数符合要求,即以像差值为判据的装调结果的解不唯一,需要对光学系统的其他参数进行测试判断光学系统在装调阶段是否满足技术要求。介绍了一种在装调过程中,当各项像差的Zernike系数接近设计时,利用干涉仪、分划板、五棱镜、经纬仪等设备,在波前测试光路中采用猫眼效应进行装调过程中的光学系统焦距的测试方法,通过光学系统的波像差和焦距值两种测试结果判断装调工作是否符合要求。经过实际装调过程中的应用验证了该方法的有效性,在光学系统的装调过程中将焦距值控制在±0.5%以内。     

计算机辅助装调方法在离轴卡塞格林系统中的应用

针对高成像质量的离轴光学系统的计算机辅助装调问题,许多研究者提出了利用泽尼克系数建立灵敏度矩阵来求解失调量,但这种方法只有在泽尼克系数和失调量存在线性关系的前提下才能准确求解。提出了一种新的能求解较大失调量的计算机辅助装调方法,用此方法对一个口径为250mm的离轴卡塞格林系统进行了装调,得到了中心视场波像差RMS为0.0405λ(λ=632.8nm)。由这种方法计算出的失调量不仅准确,而且能够用于系统装调初期存在大失调量的情况。因此用这种方法能够显著提高离轴光学系统的装调效率。     

一种用于跟踪高加速度目标的消旋瞄准系统

本文介绍一种用于跟踪高加速目标的消旋瞄准系统.在大中型经纬仪上一般需配置两维的目视瞄准系统.如果在目视瞄准系统中加入消象旋转棱镜,则配置一个瞄准系统就可解决两维方向上的瞄准观测任务,在使用和精度上都具有很大的经济效益.本文从光学系统中加入消旋棱镜入手,解决由此而带来的结构设计难点,分析光轴偏表达式,找出与其相关的因素,通过正确的装校调整,控制了允许的光轴偏,从而达到设计指标要求.     

直角屋脊棱镜与立方角锥棱镜的光学特性

在光学工程应用方面,常利用棱镜对光路的折转作用,完成一定的转像、检测和测量等工作。在实际应用中,考虑到棱镜加工误差对光轴产生的影响,应用动态光学理论及推导公式,分别给出直角屋脊棱镜与立方角锥棱镜的作用矩阵、特征方向和极值轴向,得出2种棱镜光轴偏差的数学模型。根据实际加工误差,进一步推导出2棱镜的理论误差,并对2棱镜的理论误差进行比较。最后得出可以用直角屋脊棱镜代替立方角锥棱镜的结论。     

地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42 mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

旋转双棱镜光束指向控制技术综述

旋转双棱镜系统通过两棱镜的共轴独立旋转改变光的传播方向,可用于调整光束或视轴指向。与传统的两轴、三轴式光电平台相比,基于旋转双棱镜设计的光束或视轴调整装置具有精度高、结构紧凑、动态性能好等优点,已成为传统光电平台的有益补充。本文分析了双棱镜系统的光束指向调整机制;介绍了国内外相关基础研究的热点问题,主要涉及光束转向机制、光束扫描模式、棱镜回转控制以及棱镜引起的光束变形、成像色差、成像畸变的研究。文中描述了该项技术的应用进展,给出了利用该项技术开发的典型产品以及该项技术在激光光束指向调整和目标搜索、识别与跟踪成像方面的应用。最后,探讨了旋转棱镜在扫描模式、光束质量、成像色差与畸变、回转控制等方面面临的技术难题,并对其发展趋势进行了展望。     

Geometrical optics analysis for reduction of trapezoidal image distortion in a single prism-based optical fingerprint scanner

A single prism-based optical fingerprint scanner structure is mathematically analyzed by using geometrical optics approach. Important parameters including a tilting angle of the fingerprint accepting plane, a geometrical-optic distant difference, a trapezoidal image distortion, an object compression ratio, and an orientation of a two-dimensional image sensor are formulated for the first time in terms of all three angles of the prism and the prism material. In addition, based on our mathematical model, we propose to design all three angles of the prism in such a way that the plane accepting the fingertip observed from one side of the prism is normal to the optical axis of the system. In this way, the imaging plane is perpendicular to the optical axis, eliminating the trapezoidal image distortion and leading to ease of implementation. Experimental verification using three commercially available dispersion prisms made from three different glass materials and one prism based on our design concept shows that a prism with higher refractive index provides lower trapezoidal image distortion. The experimental data generally obeys our theoretical analysis.     

基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪设计

设计一种以Wollaston棱镜为分光元件的图像复分快照式成像光谱系统,主要包括前置望远物镜、准直镜、Wollaston棱镜组、成像镜和补偿滤光片。此类光学系统可以一次曝光获取同一目标景物在不同波长下的二维信息。光束经过Wollaston棱镜组分光,为了使不同波长对应景物不至于重叠,要求分束角度比较大,这样进入成像镜的光线入射角度相对较大,无疑增加了成像镜的设计难度。分析了基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统。全系统结构复杂,光学系统的光阑必须匹配好。为了使得不仅单个镜头成像质量良好,而且镜组之间能够良好的衔接,将前置望远物镜设计为像方远心结构,准直镜设计为物方远心结构。全系统采用多重结构,使得16个谱段在56线对处的MTF值均接近衍射极限,点列图中RMS值基本都在艾里斑以内,系统成像质量良好。     

棱镜晶体旋转法测量液晶器件大预倾角

晶体旋转法是测量液晶分子预倾角的常用方法,但不适用于测量20°~70°之间的预倾角。提出一种棱镜辅助晶体旋转法测量预倾角的方案。把液晶盒夹在两个直角棱镜间,入射光从前面棱镜一个面入射,经过液晶盒从后面棱镜出射,改变入射光的入射角,测量出射光透过率,能得到对应双折射相位差为零、透射光强最大的入射角,进而由几何光学关系确定预倾角。数值模拟和实验结果显示该方法具有可行性。     

基于Dyson同心光学系统的消色差Féry棱镜高光谱成像仪的设计

为实现高光谱成像系统小型化、轻量化和高成像质量的要求,并使全工作波段具有更高的光学效率,提出以Féry棱镜组合作为分光元件的Dyson高光谱成像仪系统,系统中引入消色差棱镜组合以减小光谱的非线性色散,使棱镜系统色散的线性度达到较高。结果表明,可见近红外（VNIR）光谱通道的光学调制传递函数（MTF）达到0.9以上,光谱分辨率为4.2～6.8 nm。短波红外（SWIR）光谱通道的MTF达到0.73～0.87,光谱分辨率为6.4～12.5 nm。通过消色差Féry棱镜组合的设计,该光学成像系统两个光谱通道内的相对谱线弯曲均小于0.05%,色畸变小于0.13%。