基于矢量像差的自由曲面光学系统像差特性研究

基于矢量像差理论,提出了以Zernike多项式为表征函数的自由曲面光学系统像差分析方法,推导了在未消像散和彗差的光学系统中引入自由曲面后系统像差解析表达式,利用光学设计软件对远离光阑位置的自由曲面所导致的像差节点分布特性进行了仿真验证。仿真结果与理论推导一致,证明该方法可以用来解析自由曲面光学系统像差。最后,应用该方法设计了含有自由曲面的大视场离轴三反光学系统。系统焦距850 mm,F数6.5,系统在成像视场20°×2°范围内的畸变小于0.25%,成像质量满足使用要求。     

基于自由曲面的大视场离轴反射光学系统设计

大视场离轴反射光学系统可以获取丰富的信息资源,是未来空间光学系统的发展趋势。自由曲面在离轴反射光学系统中的应用可以增大系统视场,但大视场自由曲面离轴反射光学系统初始结构较少,优化过程复杂,设计难度大。提出了一种大视场自由曲面离轴反射光学系统设计方法,首先基于矢量像差理论与费马原理直接获得成像质量较好的无遮拦自由曲面初始系统,再对其进行简单优化即可得到最终的大视场自由曲面光学系统。该方法可以降低大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计难度。设计了一个大视场自由曲面离轴三反光学系统,光学系统视场为30°×3°,F数为2,验证了所提方法的有效性。     

基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.     

光瞳离轴自由曲面光学系统像差特性分析

基于节点像差理论,提出了以泽尼克多项式为表征函数的光瞳离轴自由曲面光学系统像差分析方法,推导了光瞳离轴自由曲面系统的三阶像散和彗差解析表达式,分析了自由曲面对光瞳离轴系统像差节点分布的影响。根据像差分布特性,有针对性地选取和优化泽尼克系数,设计了一个光瞳离轴自由曲面空间天文光学系统,系统有效焦距为25m,口径为2m,视场为1.2°×1.2°。自由曲面的引入,使系统三阶像散和彗差节点重新回到视场中,不仅平衡了系统光瞳离轴引起的非对称像差,而且有效控制了全视场内点扩展函数(PSF)椭率,减小了星体观测时的测量误差。系统成像质量接近衍射极限,满足使用需求。     

大视场曲面复眼光学系统设计

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题.该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成,各子复眼光学系统相互独立,其光线相互交叉.在系统中引入自由曲面透镜,自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折,使同一子系统的微透镜成像于平的像面上.每个子系统包括一层微透镜阵列,一个自由曲面透镜,一光阑阵列和后续像差校正镜.相比较于传统的复眼系统,该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强,能很大程度地提高边缘视场的像质.该系统的理论视场可达180°,制造精密要求不高且适用性强.本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证,证明其可实现性.     

紧凑型自由曲面离轴三反系统设计

针对小型化反射式光学系统的设计要求,采用新型的离轴三反光路形式和自由曲面,实现了F#为1.8,对角线视场角7.5°的紧凑型自由曲面离轴三反系统,光线在系统内多次重叠,系统波像差全视场平均值为0.017λ(λ=10 μm)。相比非球面离轴三反系统,该系统具有体积小、透过率高、大视场、无中心遮拦、多波段成像等优点。     

自由曲面校正光学系统像差的研究EI北大核心CSCD

利用条纹泽尼克多项式来表征自由曲面的光学元件,并将多项式中表示初级球差、彗差、像散项转换为矢量形式.利用矢量波像差理论,研究了自由曲面光学元件校正光学系统初级像差的特性.通过分析可知,自由曲面在光学系统中不同位置时所校正的像差特性不同.当自由曲面位于光学系统的孔径光阑(入瞳或出瞳)上可以校正光学系统全视场内为常数的初级像差;当自由曲面远离孔径光阑时,由于轴外视场成像光束口径的缩放与偏移,自由曲面可以校正非对称初级像差,且不同初级像差与视场依据关系不同.     

自由曲面校正光学系统像差的研究

利用条纹泽尼克多项式来表征自由曲面的光学元件,并将多项式中表示初级球差、彗差、像散项转换为矢量形式.利用矢量波像差理论,研究了自由曲面光学元件校正光学系统初级像差的特性.通过分析可知,自由曲面在光学系统中不同位置时所校正的像差特性不同.当自由曲面位于光学系统的孔径光阑(入瞳或出瞳)上可以校正光学系统全视场内为常数的初级像差;当自由曲面远离孔径光阑时,由于轴外视场成像光束口径的缩放与偏移,自由曲面可以校正非对称初级像差,且不同初级像差与视场依据关系不同.     

基于自由曲面校正器的机身共形光学系统设计

现有扫描式机身共形光学系统均使用了动态校正器,但动态校正器的使用会造成光学系统稳定性差且光机结构复杂。为提高机身共形光学系统在实际应用中的稳定性,简化光机结构,提出了一种基于自由曲面校正器的机身共形光学系统静态校正方法。基于飞机应用,利用该校正方法设计了一个瞬时视场为3°、全扫描视场为30°的机身共形光学系统。设计结果表明:通过在倾斜的共形窗口后面加入两个倾斜的静态自由曲面校正器,可使共形窗口引入的静态像差和动态像差均得到校正,整个共形光学系统在各扫描视场位置的成像质量均接近衍射极限。同时,相比于动态校正器,静态自由曲面校正器的使用提升了该系统的稳定性,简化了系统的光机结构。     

利用自由曲面进行微变焦共形光学系统设计

为使万向支架式共形导引头光学系统获得更大的无渐晕观察视场,设计了利用自由曲面进行像差平衡补偿的折反射式微变焦共形导引头光学系统.系统在所有观察视场中的均方根点斑直径都接近或小于像元尺寸,且在非零搜索观察视场中都具有接近衍射极限的成像质量,该方法使共形光学系统获得大的无渐晕观察视场成为可能.     

机载多尺度广域高分辨率成像系统设计

针对机载光电成像系统的大视场高分辨率成像需求,设计一种基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率光学成像系统,该光学系统包括大尺度共心球透镜和小尺度次级相机阵列,具有结构紧凑的优点。根据共心球透镜所具有的球差和色差特性,并结合小尺度相机对像差进行进一步校正以分割视场,可以实现大视场高分辨率成像。全系统在受力以及高、低温的条件下进行实验,实验结果表明该成像系统具有良好的稳定性,且全视场范围内的调制传递函数值恒接近于系统的衍射极限,弥散斑半径的方均根值小于探测器的像元尺寸,说明该系统的成像效果良好。所提系统可以有效解决传统机载成像系统难以同时满足大视场和高分辨率的问题,为光学成像系统设计提供一种新思路。     

共轴三反光学系统卧式装调技术

共轴三反光学系统是空间光学遥感器常用的设计形式,以“高分一号”遥感卫星高分辨率相机装调为例,对共轴三反系统计算机辅助装调技术进行了研究。提出以主镜光轴为装调基准,通过调整三镜控制系统视场和调整次镜控制系统像差的装调方法,分析了次镜和三镜的失调量与Zernike系数变化关系,由光学设计软件求得系统灵敏度矩阵,用于指导系统装调工作,提高了装调精度,缩短了装调周期。测试结果表明:光学系统各视场Zernike系数优于0.05λ,系统波相差RMS值优于0.06λ,系统通过在轨成像测试,图像清晰,层次丰富。     

PDMS基柔性近眼显示波导光学系统设计

针对近眼显示系统视场小、体积笨重、柔性差、量产性差等问题,文章采用在系统中加入自由曲面和聚二甲基硅氧烷(PDMS)基的设计方法.论述了柔性近眼显示光学系统的设计要求和工作原理,进行初始结构建立;分析了系统杂散光产生的原因,进行杂散光抑制设计;采用XY多项式自由曲面替换传统非球面,进行系统像差校正;采用柱面波导模拟波导弯...     

新型轻量化可见光光谱仪成像系统研究与分析

利用衍射光学元件消色差和对波面进行任意整形及自由曲面光学元件校正像差的特性,将衍射光学元件和自由曲面光学元件应用于传统可见光光谱成像光谱仪成像系统中,提出了一种新型的可见光光谱成像光谱仪成像系统,基于衍射光学元件独特的负色散特性,用一片折射/衍射混合光学元件代替传统的双胶合透镜来实现消色差,基于自由曲面光学元件的多自由度特性,在系统中引入两个自由曲面光学元件对系统中的像差进行有针对性的校正,针对具体的设计实例给出了详细的设计步骤,设计结果表明,在相同的参数指标前提下,新型系统仅为4片式结构,和传统系统相比,重量减轻22.9%,总长缩短26.6%,最大口径减小30.6%,调制传递函数值最大提升为1.0视场,调制传递函数值提高0. 35,最大畸变减小1.6%,最大垂轴像差减小56.4%,轴向色差减小59.3%,新型系统各方面的性能都得到了较大的改进,为现代高性能、轻小型可见光光谱成像光谱仪成像系统设计提供了一种新的途径。     

Exact analytical theory of aberrations of centered optical systems

In the paper we present a new theory designed to overcome the deficiencies of the existing aberration theories. The main advantage is the theory’s capacity to perform analytical, direct, and accurate radius, and thickness calculations of aberration corrections for optical components and systems. Methodologically, we derive exact formulas for bilinear transformations from an object to an image space. Next, we introduce relative parameters in the matrix coefficients and by combining bilinear and matrix transformations we develop exact corrections on-axis aberrations and field aberrations such as distortion, astigmatism, and curvatures (including sagittal and tangential). The theory with an accuracy of 10^?8 mm (except for tangential and sagittal coma) allows precise radius and thickness calculation of components and systems for aberration corrections, sets exact coordinates of free-form surfaces, and enables the study of the surface and component capacities for aberration correction. The theory has supported the design of more than 10 different patented optical systems.     

超大视场折反射全景光学成像系统设计

折反射全景光学成像系统具有平面对称光学系统的成像特性,提出应用光焦度控制方程和超大视场光学系统六阶波像差理论来初步确定系统结构初始参数,在此结构基础上,应用Zemax软件对其进行设计和优化,得到了一款仅由1块偶次非球面反射镜和6块折射透镜组成的折反射全景光学成像系统。该系统工作在可见光波段,全视场角范围为12°～178°,F数为3.5,其像差得到了较理想校正,调制传递函数在空间频率40 lp/mm处均大于0.37,成像性能较好,满足实际应用要求。同时,对设计的系统进行了公差分析。     

静、动态目标模拟离轴三反光学系统设计

基于单色像差理论,确定同轴三反光学系统的初始结构参数,通过二次曲面系数为0的偶次非球面的高次项之间的平衡,校正离轴系统引起的非对称性像差,同时结合DMD(数字微镜器件)目标生成器,设计出一款采用离轴三反光学系统的平行光管,为坦克承载的被测光电设备提供室内模拟目标。本光学系统的设计指标是工作波段为0.2~1.2μm,有效焦距为3000mm,全视场为2°,F数为8。结果表明,系统各视场的波像差均优于λ/34(主波长λ=0.6328μm),传递函数MTF均优于0.71@36.5lp/mm,接近衍射极限,成像质量好。对系统进行公差分析之后,系统的传递函数值远优于0.6@36.5lp/mm,合理的公差分配使系统加工难度降低,装调检测更加方便容易。     

星载超广角气溶胶探测仪均匀像面性光学设计

为满足空间遥感的迫切需求,设计了星载低畸变超广角气溶胶探测仪系统.系统中多光谱成像仪的光谱范围为0.860~0.965 μm,全视场角为94°,相对孔径为1∶4,采用反远距结构,系统后工作距离为42 mm.根据反远距结构的像差特点,提出了合理选用易于加工的二次曲面校正畸变,并利用光阑像差产生的有效像差渐晕改善像面照度分布设计方法.运用光学设计软件CODE V和ZEMAX对气溶胶探测仪光学系统进行了光线追迹和优化并对设计结果进行了分析.结果表明,最大畸变为-1.6%,像面上边缘视场的照度大于中心视场照度的46%,光学系统在奈奎斯特频率38.5 lp/mm处的光学传递函数均达到0.59以上,完全满足设计指标要求;体积小,适合空间遥感应用;同时证明了设计方法是可行的.     

泛卡塞格林光学系统的色差研究

泛卡塞格林光学系统结构简单、像质优良,广泛应用于空间光学领域中。从对研制完成的谱段位于500～800nm的泛卡塞格林光学镜头的调制传递函数(MTF)的测量结果出发,结合泛卡塞格林光学系统的结构特点,分析表明光学设计的色差来源于其高次施密特非球面镜,提出了一种利用非球面镜的最小色差条件来改进光学系统的新方法。通过三级像差理论,分析了施密特非球面镜的面形方程,计算出最小色差条件及相应的中性带高度,进行光学设计的优化改进,取得了良好的效果。结果表明,改进后光学系统的色差由原来的31.4μm减少为4.25μm,且光学系统的MTF值达到0.6以上(40lp/mm),像质优良。该方法为类似光学系统的设计提供了一定的参考价值。     

高分辨率超低畸变航天光学成像系统设计

在航天空间交会、对接等高精度定位应用中需要光学成像系统具有高分辨率、低畸变、大视场的特点，为此设计了一种满足上述要求的航天物镜。采用复杂化的双高斯结构形式进行准像方远心光路设计，系统由9片透镜组成，并采用耐辐射玻璃材料减少离子辐射的腐蚀性；采用滤光片避免短波辐射对系统的影响，引入非球面提高成像精度，最后对成像物镜进行了公差分析。设计的系统焦距为24 mm，相对孔径为F/2.2，工作波段600 nm~800 nm，全视场角为35°。设计结果表明，采用该方法设计的物镜在128 lp/mm处各视场传递函数值均大于0.3，畸变值为0.007 2%，达到设计指标要求。