基于Dyson同心系统的光线折叠式成像光谱仪优化设计

基于Dyson同心光学系统的凹面光栅成像光谱仪具有像差小、孔径高、结构简单紧凑的优点,同心结构要求光谱仪子系统的物面和像面必须重合为一个平面,且物点和像点之间距离非常小。现有的焦平面探测技术和装配技术难以满足理论设计要求。为了解决实际中物点和探测器的安置问题,对传统Dyson同心光谱仪光学系统进行了改进设计,通过在成像光束中引入离轴反射镜实现像面位置的转移。结果表明：改进后的光学系统由于成像光束发生折叠,物面和像面成功分离,且改进后系统的全波段像差得到更合理的分配。     

长波红外大孔径长焦距无热化光学系统设计

对于长波红外长焦距光学系统,大孔径能使系统具有更好的成像亮度,但也带来了孔径边缘像差较大且难以校正的问题。利用折反射式结构减少光学系统总长,采用两块反射镜结构作为基础,在其后搭配一组校正折射透镜构成光学系统,并应用光焦度分配、消热差及消色差条件,设计出大孔径、长焦距的长波红外无热化光学系统。该光学系统工作波段为8～12μm,焦距为800 mm,全视场角为0.6°,F数为2.5,遮拦比为0.2,光学系统总长为344.62 mm;在-40～60℃工作温度范围内,全视场角的调制传递函数值在奈奎斯特频率20 lp/mm处均大于0.25。设计的长波红外大孔径长焦距光学系统由2块反射镜和4块折射透镜组成,系统结构紧凑,成像性能稳定,可为类似此类光学系统设计提供参考。     

大孔径长焦距摄远物镜光学系统设计

对于长焦距摄远光学系统,大相对孔径意味着成像亮度更加优秀,但是也伴随着孔径边缘像差变差而难以校正的难题。利用折反系统减小光学系统总长,采用反射结构为基础,搭配前后两组校正镜构成光学系统,设计出大相对孔径,总长较短的摄远光学系统。光学系统工作波段为可见光波段,焦距1 000 mm,F数2.1,摄远比0.52,光学总长远小于焦距,遮拦比45%,全视场MTF在空间频率80 lp/mm处大于0.3,像面直径11 mm。该光学系统镜片全部采用球面镜,光学系统由2片反射镜和7片透射镜组成,结构紧凑,成像质量好。对摄远物镜进行公差分析,得出该设计公差较宽松。     

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。     

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。     

基于光学离焦量的致冷型长波变焦红外成像系统冷反射效应的分析与控制

衡量镜面冷反射大小的主要指标在于其对后向反射光线的在探测器靶面的聚焦程度,目前使用一阶参量yni进行量化,不足之处在于没有和具体的透镜参数和系统参数相联系,对于冷反射优化指导作用不大。定义了新的参量光学离焦量对反射光线的散焦进行量化,推导给出了其与镜面曲率半径、通光孔径、其后成像面位置、其前透镜组焦距和系统视场角等设计参数的关系式,分析总结了光学设计中降低冷反射的方法。利用光学离焦量对一个制冷型长波变焦红外光学系统进行了冷反射分析,并计算了各反射面的冷反射引入等效温差(NITD)。分析了NITD主要贡献面的冷反射成因,并进行了针对性的优化,优化后系统变焦部分的NITD减小了50%,而固定透镜组的冷反射下降了75%左右,结果表明光学离焦量对于制冷型红外系统的冷反射优化具有明显的指导作用。     

三线阵立体测绘相机光学系统的调焦分析

针对三线阵立体测绘相机CCD成像靶面偏离最佳像面位置,影响成像质量的问题,根据光学系统的设计参量,计算测绘相机的调焦准确度,分析像方远心光路对测绘相机调焦准确度及调焦对测绘准确度的影响.结果表明,光学系统的调焦范围为±2mm;当采用像方远心光路,在允许离焦的范围内进行调焦时,产生的投影畸变可忽略不计.调焦后光学系统的成像质量、畸变要求满足高测绘准确度要求.     

大口径离轴凸非球面的加工和检测

将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接测试技术相融合提出了凸非球面系统拼接检测方法,对该方法的原理和实现步骤进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型.依次利用计算机控制光学表面成形技术和磁流变抛光技术对一包含大口径凸非球面的离轴三反光学系统的各反射镜进行加工,并对整个系统进行装调和测试.测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值求解得到大口径凸非球面全口径的面形信息.结合工程实例,对一口径为292mm×183 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,其最终面形分布的均方根值为0.017λ(λ=632.8 nm).     

折/反混合式长波红外成像光谱仪光学系统设计

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,满足目标探测对多信息量的需求,设计了高光谱分辨率长波红外(8~12 μm)成像光谱仪。前置望远系统采用离轴三反系统,以实现无遮拦、大口径及宽视场成像设计;光谱分光系统分别采用折射式和反射式结构进行优化设计。设计结果显示,采用折射式结构,可得到通光孔径为100 mm,F数为2,光谱分辨率16 nm,空间分辨率150 μrad,冷光阑效率100%,成像质量接近衍射极限的光学系统;采用反射式结构,为了保证光学系统无挡光,需采用多片离轴反射镜,增加了系统的非对称性,使得系统的像散、彗差和场曲难以校正到最佳状态。设计结果表明：折/反混合式成像光谱系统具有光谱分辨率高、成像质量好和结构合理等优点,点斑均方根直径与国内现有探测器像素尺寸匹配。     

成像光谱仪大孔径前置物镜设计研究

含有阶梯微反射镜和片状分束器的时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪的前置成像系统不仅要满足与阶梯微反射镜参数相匹配,还需具有实入瞳和像方远心的特性。为此,研究了将普通红外物镜转变为具有实入瞳的像方远心结构的方法。同时,研究了片状分束器和补偿板所带来的离轴像差,并提出了采用柱面和泽尼克面相结合的矫正方法以提高成像质量。设计出满足光谱范围3~5μm、F数为4、有效焦距为400 mm、视场为4.58°的整个波段全视场范围内无渐晕的红外光学系统。仿真结果表明:前置成像系统的成像质量接近衍射极限,最大全视场均方根光斑直径为5.9μm。这种设计方法可以用于大孔径时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪前置成像系统设计。     

紧凑型大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

针对致冷型中波红外640×512凝视型焦平面探测器，设计了一个30×连续变焦光学系统。介绍了由无后固定组的变焦物镜组和中继透镜组组成的连续变焦系统的设计思路，不仅给出了系统在短焦、中焦、长焦3个位置的像质情况，还分析了反映全焦距范围内像质的离焦量和畸变。实验结果表明:该系统工作波段3.7 μm~4.8 μm，可以实现18 mm~540 mm连续变焦，全焦距范围内的离焦量都在焦深以内，长焦段最大畸变接近于0，短焦段最大畸变小于3%。该系统具有大变倍比、结构紧凑、变焦轨迹平滑、变焦行程短等优点，可用于红外光电探测和跟踪系统。     

大口径折反式中波红外衍射望远镜系统设计

为实现空间红外望远镜的高分辨率探测,基于Schupmann消色差理论,开展了大口径折反式中波红外衍射望远镜系统的设计及消热差模型研究。设计了口径1 m、F数为2、全视场0.12°、波段3.8 μm～4.2 μm的折反式中波红外衍射望远镜系统,其主镜及校正镜均为平面衍射透镜,中继系统采用卡塞格林折反式结构,再聚焦及三次成像系统均为折射式结构,对系统进行了公差、鬼像及冷反射分析。设计结果表明:在?20 ℃～60 ℃温度下,系统的MTF在16.7 lp/mm范围内均大于0.7,接近衍射极限,且具有100%冷屏效率,公差满足现有加工装配水平;鬼像能量为0.1%,对目标信号的影响较小;冷反射等效温差（NITD）随温度的变化量小于探测器噪声等效温差（NETD）。该系统可为更大口径红外衍射望远镜系统的设计提供参考。     

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。     

大口径超长焦距紧凑型光学系统设计

为满足空间遥感光学系统结构紧凑、体积小以及高分辨率的需求,提出了一种长焦距紧凑型光学系统的设计方法。基于高斯光学和初级像差理论,创建了同轴四反射镜系统的初始结构,通过视场偏置的方法避免二次遮拦。对设计的大口径超长焦距同轴偏视场四反射光学系统进行优化,系统口径1 800 mm,有效焦距25 000 mm,全视场角1°×0.1°。设计结果表明,系统设计波像差优于λ/50(λ=632.8 nm),全视场相对畸变小于0.4%,光学筒长仅为有效焦距的1/10,结构简单紧凑,像质接近衍射极限,对大口径超长焦距空间遥感光学系统的设计具有一定的借鉴作用。     

像方扫描技术研究

基于显微摄影的成像原理,研究了像方扫描以扩大视场的途径,并建立了一个二次成像的设计模型,包括一个大视场的固定前置物镜组和一个运动轨迹为球面的中继透镜组。物镜组所成的一次像面优化了场曲,中继透镜组则根据该场曲进行运动,对一次像面不同区域成像,并采用光学被动消热差以保证不同温度的像质。该模型的相对孔径1∶3,波长3.7 m~4.8 m,焦距90 mm,瞬时凝视视场为4,扫描视场达24,采用7片透镜3个非球面,在全视场范围内具有接近衍射限的像质。     

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。     

去散焦模糊的折反射全向成像系统设计

随着高分辨率传感器和大光圈的采用,光圈和反射面曲率造成的折反射全向成像散焦模糊问题越发突出。提出了一种有效去除散焦模糊的折反射全向成像系统设计。理论分析折反射成像散焦模糊的原因,建立全向图点扩展函数与实景空间物点及成像系统虚像位置的关系;在一次曝光成像时间内匀速旋转镜头对焦环,通过累积曝光使全向图散焦模糊核具有期望的空间不变性;利用反卷积算法对散焦模糊全向图进行复原,得到全局清晰的全向图像。该方法较好地解决了折反射全向成像散焦模糊问题,对提高折反射全向成像质量,促进其在相关领域的广泛应用具有重要意义。     

大焦深成像系统的特性研究

如何增大非相干光学成像系统的焦深已成为一项有意义的研究主题，为了增大焦深，通常的做法是缩小相对孔径，但这种做法会降低光学系统的光通量、调制传递函数（MTF）及分辨率，而大焦深成像系统通过在光学系统光路中加入一特殊设计的非球面掩摸板，并用图像处理技术对相位掩模板编码后的图像进行解码得到清晰图像，保证了光学系统在维持原有相对孔径的同时扩大其焦深范围，使光学系统在离焦范围内有好的图像质量，从光学图和系统的MTF两个方面对大焦深成像系统的特性进行了分离，并对结果进行了讨论。     

远距离成像汽车平视显示光路结构设计

针对汽车AR-HUD显示虚像视距更远、虚像视场角更大的需求,采用自由曲面离轴反射光路结构,设计了一种焦距为-309 mm,虚像视距为7.5 m,虚像视场角为9.8°×5.5°的虚像显示光路。为保证驾驶员观察到的虚像的清晰度,结合人眼典型分辨角为1′,源图像显示模块采用分辨率为854×480 pixel的背投式DLP微投影系统。将人眼与虚像显示光路作为整体进行设计,使用Eyebox(孔径光阑偏移范围)模拟驾驶员眼睛活动范围,对于不同的孔径光阑位置,该光学系统的虚像面在奈奎斯特空间频率0.33 lp/mm处,中心视场MTF值大于0.6,全视场MTF值大于0.3。此外,使用蒙特卡罗方法对该系统取不同入瞳位置时进行了初步公差分析,系统90%的MTF值大于0.49,表明该系统容差能力较强。