弹载卡式红外光学系统消热差设计

为了消除环境温度变化对弹载红外光学系统成像质量的影响,设计了一种在3.7μm～4.8 μm波段工作的弹载卡塞格林式红外消热差光学系统.利用ANSYS软件分析了整流罩在大气中的受热变形对光学系统成像质量的影响,采用光学被动式消热差法对光学系统在-40℃～+65℃范围内进行了温度补偿.设计结果表明,系统MTF在20 lp/mm时轴外可达0.41以上,不同视场下的弥散斑直径小于一个像元尺寸且系统结构简单.该设计可保证光学系统的像面稳定性,有效提高火控系统对目标探测与识别能力.     

外场多光轴平行性测试的光学系统设计

针对外场条件下因大气环境影响导致多光轴平行性误差的问题,设计了一种可见光、1.06μm激光及812μm的长波红外多光轴平行性测试的光学系统,系统采用卡塞格林系统为共光路并以可见光为基准光轴.卡塞格林系统的主次镜均采用双曲面校正球差及慧差,添加校正透镜减小了轴外像差.设计结果表明,该光学系统成像质量达到了衍射极限,在大气...     

卡塞格林光学遥感系统的图像复原

卡塞格林光学遥感系统相当于一个望远系统和环形光阑的组合,无穷远物的夫琅禾费衍射谱是圆孔衍射和圆屏衍射共同作用的结果.由于系统次镜中心遮拦的影响,损失了一部分衍射谱,造成了系统调制传递函数(MTF)在中频段的下降,影响了成像质量.设计了一个2 m焦距的改进型卡塞格林光学系统.为了弥补系统成像质量的损失,运用调制传递函数补...     

机载红外与合成孔径雷达共孔径天线设计

为了满足军事探测环境下复杂、多样化的探测需求,机载探测平台往往集成多个探测系统。共孔径复合作为一种理想的集成方式,在综合各类探测系统优势的基础上,缩减了系统的总体积,减轻了平台负担。本文计算并设计了一种卡塞格林式红外与合成孔径雷达共孔径天线。首先,根据合成孔径雷达指标设计主镜;接着,通过像差系数与非球面参数组成的方程组求解卡塞格林结构;然后,在前端卡塞格林结构、冷阑参数和红外光学系统指标的限制下,利用PW形式的像差公式计算透镜的具体结构。最终得到的雷达天线口径为1.22 m,增益为40.9 dB,红外光学系统焦距为-1 000 mm,全视场角为0.704°,次镜遮拦比小于0.33,在33 lp/mm处各温度区间MTF值大于0.4。所设计共孔径天线的各项指标均满足使用要求。     

弹载卡式红外光学系统消热差设计

为了消除环境温度变化对弹载红外光学系统成像质量的影响,设计了一种在3.7 m~4.8 m波段工作的弹载卡塞格林式红外消热差光学系统。利用ANSYS软件分析了整流罩在大气中的受热变形对光学系统成像质量的影响,采用光学被动式消热差法对光学系统在-40℃~+65℃范围内进行了温度补偿。设计结果表明,系统MTF在20 lp/mm时轴外可达0.41以上,不同视场下的弥散斑直径小于一个像元尺寸且系统结构简单。该设计可保证光学系统的像面稳定性,有效提高火控系统对目标探测与识别能力。     

大口径折反式星敏感器光学系统的光路设计

为提高星敏感器探测极限星等的能力,采用改进型卡塞格林系统、光阑校正球面透镜组和视场校正球面透镜组相结合的结构,设计了一种光谱范围为450～950nm、半视场为1.4°、入瞳直径为250mm、焦距为425mm,且能够矫正像散、场曲和畸变的大口径折反式星敏感器光学系统.基于像差理论的系统初始结构参数计算和Zemax软件光线追迹的优化设计,光学系统的次镜遮拦比为0.43,成像点80%的能量集中在30μm内,最大畸变为0.081%,光学传递函数在奈奎斯特频率34lp/mm处大于0.75,最大倍率色差为1.138μm,满足星敏感器对成像的要求.对光学系统进行公差分析,在20次蒙特卡罗分析结果中,第13个结构的绩效函数最好,为4.975 16μm,第20个结构的绩效函数最差,达到7.799 57μm.通过对20次蒙特卡罗结构的绩效函数分析,所选定的公差值能够很好地满足光学系统性能基本要求,为加工和安装过程中的误差提供依据.     

无热化双谱段复合成像光学系统

针对机载小型轻质和宽温度场的使用需求,基于光学被动消热差理论,设计了共孔径共视场分光路可见光和红外双波段无热化成像光学系统。两个谱段共用卡塞格林主光学系统,采用分色片实现双谱段分光。分光后两个谱段采用相互独立的中继透镜组。红外波段通过二次成像,实现双波段冷光阑100%匹配。通过共视场设计提高不同探测波段目标的信息一致性。可见光和红外谱段焦距分别为1750mm和1000mm,工作谱段为0.45~0.9μm、3~5μm,入瞳孔径为250mm,视场角1.1°,光学系统各谱段耐奎斯特频率处调制传递函数接近衍射极限,在宽温度场范围内像质稳定,完全能够满足实际使用需求。     

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

 成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。     

高清折反式视频显微镜

为了实现对细胞工厂中细胞的实时监测,设计一款高分辨率、长工作距离的视频显微镜。采用卡塞格林式物镜与折射式显微系统相结合的设计方法,在反射式系统中加入厚弯月形透镜补偿系统产生的像差,缩短光学系统的横向尺寸,校正像差。针对被观察细胞的具体特征,设计了一种工作距离100mm、分辨率1.2μm、线视场2mm的视频显微镜,达到高清水平,系统很好地校正色差、球差、场曲和畸变,达到了平场消色差显微镜的要求。实现对细胞状态的高清实时监测。     

红外自适应系统中双波段望远镜与红外物镜设计

大孔径红外光学系统往往易受自重和环境温度影响造成像质恶化,引入自适应光学技术的红外自适应系统能够很好地解决该问题,为此设计了一个用于Hartmann-Shack波前检测的红外自适应光学系统。重点设计了10×可见光与中波红外双波段望远镜,物镜为卡赛格林反射物镜组,无需消色差,在可见光与中波红外2个波段实现了消色差目镜设计;还设计了红外成像中继光学系统,可实现100%冷光阑效率,并补偿望远镜在中波红外波段的残余像差,使最终设计的光学系统MTF接近衍射极限,达到了0.5以上,满足设计指标要求。     

鱼眼镜头光学系统的非球面优化设计

应用非球面提高光学系统成像质量是镜头设计的常用手段。基于平面对称光学系统的波像差理论,通过分析鱼眼镜头各光学面的波像差贡献,将波像差贡献突出的光学面作为应用非球面的待选对象,结合波像差随非球面系数的变化趋势,确定应用非球面的光学面;应用优化算法和基于光线点列图分布定义的评价函数优化鱼眼镜头系统。通过对一个鱼眼镜头实例进行非球面优化,其点列图范围从全球面优化设计时的200 μm下降到100 μm,其评价函数值下降1个数量级,证明该方法能明显提高镜头的成像质量,对如何有效应用非球面优化鱼眼镜头的光学系统具有借鉴意义。     

非制冷高变倍比连续变焦光学系统的设计

针对长波非制冷氧化钒320240像元焦平面阵列探测器,像元间距25 m25 m,采用变焦距光学系统设计原理,引入非球面和衍射面设计技术进行像差平衡,设计了长波红外连续变焦光学系统。该系统工作波段为8 m～12 m,视场为2.86～50连续可变,F数为1.2,变倍比为18∶1,在整个变焦范围内,光学调制传递函数在0.5以上,接近衍射极限,并且全视场能量70％集中在探测器的一个像元内。整个变焦光学系统仅使用一种红外材料(单晶锗)进行像差矫正。     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

衍射极限非球面准直透镜

介绍了一种新的非球面透镜设计方法。通过非球面方程中二次曲面常数和非球面系数对光学系统像差的贡献来设计非球面透镜,并详细分析了非球面设计过程。设计了数值孔径NA=0.37, 纤芯Φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光器的非球面准直透镜,其焦距f=50mm。从像质评定可以看出, 非球面准直镜几乎接近衍射极限, 整个系统的波像差小于0.3λ。实验表明： 采用非球面准直系统能最大限度地利用光能率和提高光束准直性, 证明了设计方法基本正确。     

CCD摄像机大视场光学镜头的设计

为提高CCD摄像机的成像质量，同时使镜头结构紧凑、小型化，在大视场光学镜头的设计中，引入标准二次曲面和偶次非球面。根据初级像差理论，分析了非球面的位置、初始结构参数的求解规律。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化，给出工作波长为0.4～0.7μm、全视场角为80°，相对孔径为1∶1.5的镜头设计实例。该镜头由7块镜片组成，包括一个标准二次曲面和两个8次方非球面；在40lp/mm空间频率处的MTF值超过0.85，全视场畸变小于3％，像质优良     

非球面透镜在两波长间的补偿检验

在检验光路中,采用补偿透镜来补偿口径为φ500mm的非球面透镜的使用波长(λ=1053nm)与检测波长(λ=632.8nm)之间的色差。给出补偿透镜的求解方法,得到非球面透镜的补偿检验光路,并就非球面透镜的检验精度进行分析。通过精度分析可以看出,在此种补偿检验光路下,非球面透镜的透射波前PV不低于0.2λ(λ=632.8nm),可满足元件的精度要求。     

Selection and optimization of mirror structure of off-axis two-mirror afocal system北大核心CSCD

According to the structural characteristics of aspheric off-axis two-mirror optical system, the imaging characteristics of the system were analyzed by using primary aberration theory. Based on the characteristics of different aspheric surfaces, the vector expression of system aberrations was derived. Using the Seidel coefficients, the primary wave aberration of systems were expanded and values of system aberration for different aspheric surface shapes were specifically calculated. After the evaluation index of the off-axis structure was determined, the imaging qualities of different surface shape combinations were compared. Then the optimal surface shape selection method was analyzed by quantitative comparison results. The results show that compared with other reflector combination methods, the spherical aberration, coma and astigmatism of the off-axis double paraboloid system are all 0, the wavefront RMS is much better than λ/14 (λ=0.587 6 μm), and the Strehl ratio is greater than 0.8. According to the calculation results, it not only has a stronger ability to suppress multiple primary aberrations, but also can effectively compress the volume of the system. Copyright ©2022 Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

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。     

声光可调谐滤波器成像光谱仪非球面光学系统设计

基于声光可调谐滤波器(AOTF)的工作原理,设计了一套工作在440～780nm的光谱成像光学系统。该光学系统通过引入一面偶次非球面提高了系统的成像质量,简化了镜头的结构,提高了光学系统的透射率。前置光学系统采用由一组双胶合透镜构成的像方远心光路。后置成像光学系统由一组三胶合透镜构成,其中包含一面非球面,根据非球面变形系数与初级像差间的贡献关系,完成了非球面及其位置的优化和对AOTF的+1级衍射光成像。光学系统在32lp/mm的空间频率下的调制传递函数(MTF)大于0.6,像质优良,加工装调公差适中。     

Analyzing wavelength behavior of a cubic phase mask imaging system based on modulation transfer function

The wavefront coding technology is an effectively method for extending the depth of field. However, the phase delayed by the phase mask changes with light wavelength, and the chromatic aberration is caused by chromatic dispersion of the optical elements. The modulation transfer function (MTF) of the cubic phase mask (CPM) system is derived with considering the axial chromatic aberration and optical path difference variation with wavelength, and the wavelength behavior of CPM system is analyzed in details. We yield that the MTF is approximately wavelength invariant within a certain frequency bandwidth, and the bandwidth is nearly inverse proportional to wavelength and varies with axial chromatic aberration. The effect induced by dispersion of the CPM material is very weak. If the CPM system is illuminated by wideband spectral light and the ACA exists, then the frequency bandwidth may become narrower than the monochromatic case, and the position of image sensor can be relocated to balance frequency bandwidth among all wavelengths.