10°远心离轴三反消像散望远系统的光学设计

在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了成像光谱仪用远心宽视场、大相对孔径离轴三反消像散系统的设计问题,推导出了平像场、远心三反消像散系统初始结构参量和三级像差的计算方程.在给定系统像方焦距f ′和F/#的情况下,只要给定次镜对主镜的遮拦比α1和次镜口径D2的具体值,就可以得到一个平像场、远心三反消像散成像系统的初始结构,通过进一步优化可得到满足设计要求的结果.据此设计出一个光谱范围0.4～2.5 μm、焦距f ′=720 mm、相对孔径F/4、线视场角为10°的平像场、远心离轴望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为椭球面,在空间频率27.8对线/mm处,调制传递函数值大于0.85.     

激光及可见光双模导引头结构设计

设计了一套用于导弹精确制导的激光及可见双模导引头,采用RC复杂化设计双路共用主、次镜和多次光路折转的形式来减小结构体积。激光光路设计焦距为300 mm、视场为0.6°,用于激光引导后最终目标的确认;可见光光路焦距为100 mm、视场为3°,用于较大区域内初始目标的搜索。设计过程采用计算机软件进行优化分析,总质量控制在600 g以内,在满足体积小、质量轻的同时确保了热稳定性和结构可靠性。环境试验结果表明,可见光路的光学传递函数优于0.3@50 lp/mm,满足最终使用要求。     

一种可实现两档切换降落相机的镜头设计

设计了一种用于深空探测的新型宽视场多光谱降落相机,通过两档切换,实现了1.5m~+∞以及30cm两档成像范围的目标探测.在1.5m~+∞档,能实现着陆器下降过程中对被测星体表面的全色成像;在30cm档,采用蓝绿、红色以及近红外三个独立的发光二极管光源阵列分别对着陆后近距离目标进行照明,通过对采集到的多光谱图像进行处理,可实现目标组成成分的鉴定.取降落相机设计谱段420~900nm,方形视场49.5°×49.5°,F数5.4,当目标距离为1.5m~+∞时,焦距f′1为12.9mm;目标距离30cm时,焦距f′2为12.5mm.系统中第一镜采用近似无光焦度的前置弯月透镜,利用镜片的开合完成不同成像范围的档位切换,使系统焦距在两档切换时变化不大,目标不易丢失.分析可知,镜头在35lp/mm处,系统调制传递函数均达到0.6以上,成像质量接近衍射极限;全视场畸变优于1.2%;第一镜倾斜、偏心公差设计合理.该设计解决了以往定焦降落相机在着陆后无法对近距离目标清晰成像的问题.     

宽视场成像光谱仪前置远心离轴三反光学系统设计

为了满足宽视场成像光谱仪发展的需求,研究了远心、宽视场和大相对孔径的离轴三反系统的光学设计问题,推导出平像场远心三反系统初始结构尺寸参数和三级像差表达式.针对光谱范围0.4～2.5μm、F数为4、有效焦距720 mm和视场10°的设计要求,采用视场角离轴的方法,设计出次镜为凸球面镜、主镜和三镜共面且都为凹二次曲面镜以及...     

大口径红外成像系统的光学设计

推导了以反射式两镜系统为主体的红外成像系统中满足光瞳匹配要求的转像透镜的高斯光学参量与两镜系统参量的关系式。当选定红外焦平面的冷屏直径及到焦面的距离后，转像透镜与两镜系统的高斯光学参量之间必须满足这个关系式，才能做到光瞳匹配，这就是冷屏为系统的出瞳．而入瞳是主反射镜的口径。消像差由主镜、副镜的非球面及转像透镜上的一个非球面承担。用实例计算验证了所推导出的公式的可靠性，红外系统的口径取为250mm，红外接收器的冷屏直径为5mm，冷屏到红外像面的距离为20mm。两镜系统主镜的曲率半径选定为-1000mm及-800mm两个值，两镜系统焦距为2000mm，1500mm及1000nm三个。共计算了六种结构参量不同的系统。     

8～12 μm波段折/衍混合反摄远系统消热差设计

设计了工作于8～12μm波段的折/衍混合消热差红外反摄远系统.该系统全视场为14°,有效焦距为100 mm,后工作距为113 mm,F/#2.0.系统采用锗和硒化锌两种材料,为三片镜结构.引入二元面和高次非球面,使结构简化,重量减轻,提高了成像质量.系统在－40℃～100 ℃的温度范围内性能稳定,适用于像元尺寸40μm,像元数640×480的现代非致冷式面阵探测器.大视场、长后工作距以及超宽工作温度范围,决定了系统可满足军用和民用领域的多种需求.     

带增倍镜的红外变焦光学系统设计

设计了一种红外三档变焦光学系统。系统工作波段为中波3.7~4.8μm,焦距为40/60/240mm,6×变倍比,具有100%冷光阑效率,加入2倍镜后,焦距为80/120/480mm。对系统进行了光学设计、传递函数分析、机械设计等分析,带增倍镜的红外三档变焦光学系统具有像质好、变焦速度快、结构紧凑的特点,可在红外成像系统中得到广泛应用。     

红外大变倍比连续变焦距系统光学被动式无热化设计

为了实现大变倍比连续变焦距红外光学系统的光学被动无热化设计,研究了连续变焦距系统的无热化设计基本理论及方法。提出了在大相对孔径大变倍比连续变焦距红外系统中采用光学被动式消热差的方法。推导出了连续变焦距系统光学被动消热差的计算方法。基于这种计算方法,设计了一个焦距30~150mm,长波红外工作波段在8~12μm,相对孔径1∶1.1的大变倍比、大相对孔径连续变焦距系统,并进行光学被动消热差设计,使系统在-30℃~60℃温度范围内MTF大于0.3满足成像要求。系统设计合理,成像质量满足要求,通过系统设计充分验证设计理论的可行性和实用性。     

超紧凑型红外折反式光学系统设计

提出一种超紧凑型折反式红外光学系统设计方法，即系统的主、次镜均采用金属镜，后组采用红外透射材料，实现了总长/焦距比为0.55。在设计中重点分析系统的温度效应，并采取针对性设计，以达到准无热化设计的目的。同时对系统进行杂光分析，给出杂光抑制方案，并使用杂光分析软件对系统进行分析。结果表明：系统像面杂散辐射在0.5%以内，光学材料与结构材料的热胀系数配合得当，系统的热效应很好。     

彩色电视光学系统设计

在彩色电视广播中,光学成象是非常重要的,就是说在播送节目之前必须产生一个理想的影象,因此要求摄象机要有一个性能特别好的光学系统。这个系统是由外部光学和内部光学组成的,前者是变焦距物镜和扩展镜(或倍率镜),后者是指分色棱镜、滤光片、背景光路和测试卡投影系统。这两部分之间有紧密的关系,设计时必须统一考虑,例如为了能容纳由分色棱镜和各种滤光片所组成的复杂光路,就要求变焦距物镜有足够长的后工作距离。为了减小分色棱镜的色偏移现象,要求物镜出瞳是远心的,即使设计有困难,也应使出瞳尽量远离象面。     

空间微重力下离轴三反相机离焦范围

由三块反射镜组成的光学系统在轨道空间微重力的影响下,其反射镜面间隔、曲率半径往往发生改变,对系统的后截距产生较大的影响,最终导致相机离焦,成像质量下降。通过分析三反系统的等效高斯光学系统,得到其后截距公式;通过齐次坐标变换,得到反射镜面刚体位移公式;通过采用最小二乘算法拟合计算得到微重力环境下的镜面半径,计算出相机在空间环境下的离焦量为0.04 mm,为调焦机构的设计提供了理论依据。     

Micro-displacement sensor with multimode fused coupler and concave mirror

Fiber optic displacement sensor is demonstrated using a multimode fused coupler probe and a concave mirror target. It is observed that a focal length of the concave mirror make a significant influence to the displacement response, which illustrates three linear slopes with the second slope peaks at the position that is in vicinity of two times of the focal length. The highest sensitivity of 0.56 mV/mm is obtained with an infinity focal length and it is decreased as the focal length of the concave mirror decreases. The widest linear range of approximately 3.3 mm is observed in the third slope region with focal length of 6.0 mm. The highest linear range obtained with the use of 50:50 coupler.     

5倍变焦距光学系统小型化设计

为了完成飞行器导引头目标识别与探测任务,以短焦距、大视场进行搜索并确认目标,以长焦距、小视场进行高精度目标识别。通过选择正组补偿的机械补偿法,采用3种普通光学材料,在长焦距位置,将前固定组、变倍组的组合设计为远摄型,使得系统结构紧凑,满足导引头小型化的要求。利用CODE V光学设计软件,优化设计了焦距为30~150 mm,视场角为12.90°×10.25°~2.59°×2.07°,筒长仅为174 mm的变焦距光学系统,得到成像质量优良的设计结果。各焦距、全视场平均传递函数值在50 lp/mm时为0.695,测试结果为0.562,满足系统的性能要求。     

140 GHz回旋管准光模式变换器的设计（英）

针对一种由Denisov型辐射器和第一面镜为准抛物镜的四级反射镜面系统组成的准光模式变换器开展了详细的研究和设计。利用耦合模理论和矢量绕射理论设计了波纹波导准光模式变化器,通过编写仿真程序进行数值优化完成了140 GHz,TE28,8回旋管准光模式变换器的设计。仿真结果表明,抛物面反射镜的焦距对矢量高斯效率影响较大,输出窗口处得到了较好的高斯波束,标量高斯效率达到98%,矢量高斯效率达到90%。     

Feedback coupling loss in single mode fiber lasers

Based on the expansion of the fundamental mode LP₀₁ in single mode fiber in terms of Laguerre-Gaussian free space modes, the feedback coupling losses for two different types of cavity mirror, i.e., a curvature mirror and a combing mirror of a lens and a plane mirror, are numerically calculated for the first time. The results show that, for the curvature mirror, the lowest coupling loss is obtained when its curvature radius matches the wavefront curvature. In particular, if a plane mirror is used as the cavity mirror, it has to be placed close to the fiber end to obtain the low coupling loss. For the combing mirror, the lowest coupling loss can be obtained when the plane mirror is placed at the back focal plane of the lens, and the variation of the coupling loss is insensitive to the mirror positions for the lens with longer focal length. Finally, the plane mirror and the combing mirror of a lens and a plane mirror are suggested to be the cavity mirror in the practical construction of the high power fiber lasers.     

Study on the possibilities of controlling the laser output beam properties by an intracavity deformable mirror

The possibilities of controlling the laser beam properties by a deformable mirror introduced into the laser optical cavity were studied theoretically and experimentally. The experiments were performed under conditions of an industrial high power transverse flow cw CO₂ laser operating with a stable resonator of a folded configuration. A deformable bimorph mirror of a surface profile controlled by the voltage applied to the mirror electrodes is implemented to the laser system as a back cavity mirror or as a one of the inner folding mirrors. The near-and far-field characteristics of the laser beam versus the resonator configuration controlled by the changes of the focal length of the deformable mirror are discussed in the paper. The analysis reveals that the resonator with an inner deformable mirror is much more sensitive to the mirror curvature variations than the resonator in which the deformable mirror is used as a back cavity mirror. The presented results show that dynamic and controllable changes in the resonator properties result in the controlled modification and optimisation of the laser output power and spatial parameters of the laser radiation.     

Design strategy for flat-field Schmidt optical system

The present study provides the theory base for designing flat-field Schmidt optical systems, based on the wavefront aberration of Petzval field curvature, a mathematic model of the Petzval radius is setting up. The radius of Petzval image surface is not equal to the focal length of the primary mirror or the focal length of the system. An aberration balancing method for flat-field Schmidt optical systems design is proposed: did not change parameters of the corrector, through adjusting the distance between the plate and the mirror to realize aberration equilibrium. The total physical track is more compact than equilibrium before.     

自动聚焦激光诱导击穿光谱远程测量系统

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术具有非接触测量、无需样品预处理以及快速多元素同时分析等特点,适合于高温、高压、真空、有毒以及敌对环境等仪器和操作人员无法靠近观测对象的应用中。LIBS技术结合望远镜系统可以实现物质成分的远距离检测与分析。搭建了一套可自动聚焦的LIBS远程测量系统。该系统中的望远镜采用Schwarzschild结构,由一块凹球面反射镜和一块凸球面反射镜组成。两块球面反射镜共轴安装。其中凸面反射镜安装在电控精密平移台上,电动平移台可带动凸面反射镜沿光轴移动。通过调整凸面反射镜的位置,改变凸面反射镜和凹面反射镜的间距,进而改变系统的焦距,实现对不同距离的样品进行光谱测量。该结构的优点在于：激光聚焦光路与信号光采集光路相同,便于安装和调试;望远镜系统采用全反射式光路,适用于紫外波段检测;只包括两个球面反射镜,结构紧凑,元件容易加工。望远镜系统调焦距离为1.5～3.6 m,聚焦光斑直径约为0.5~1.0 mm。使用该系统对铜样品进行了LIBS实验,确认了Cu元素的特征谱线。通过测量Cu元素的LIBS特征谱线(Cu Ⅰ 223.01 nm, Cu Ⅰ 224.43 nm)峰面积和反射镜间距之间关系,得到了激光的最优聚焦位置。实验结果表明,该系统能够完成样品的远程激发和LIBS光谱测量,并能够对不同距离的样品进行自动聚焦。     

前置超光谱成像变焦系统的设计

设计了一种前置超光谱成像变焦系统,其工作谱段在400～1 000 nm,F数为3.5～5.6,在焦距28 mm和80 mm处的全视场分别为7.88°和2.76°.前置超光谱成像变焦系统与传统变焦系统主要有两点不同:第一、由于该超光谱系统应用声光可调滤光器元件分光,更加关心分光后各个谱段下系统的整体传函情况,所以需要进行逐一离散评价;第二、由于实际应用中前置系统与后续成像模块综合应用达到总体变焦的目的,两个系统的传函在系统整体传函中均具有一定的贡献量,所以对前置超光谱成像变焦系统的评价需要综合考虑系统对后续成像模块传函要求的合理化及整体传函受人眼视觉阈约束的影响,从而对前置超光谱变焦系统的像质评价指标进行了具体分析.根据物像交换原则对系统的初始结构进行了计算,并应用ZEMAX软件对系统进行了优化设计,设计结果表明,系统在各个焦距位置及超光谱各谱段下,像质均满足了设计指标要求.     

具有实入瞳的远心离轴三反系统研究与设计

采用远心离轴三反成像系统的空间遥感仪器前有光束限制装置时,要求系统具有实入瞳与之匹配。为了满足这一需要,研究了孔径光阑位于主镜前与系统物方焦平面重合的离轴三反系统的设计问题,推导了主镜和三镜共面时离轴三反系统结构参数计算式及物方焦点与主镜间隔表达式,确定了实现系统物方焦点为实焦点的条件及其解法。据此,针对光谱范围为1.0～2.5μm、F数为4、有效焦距为360mm、视场为5°的设计要求,设计出整个波段全视场像质接近衍射极限的具有实入瞳的远心离轴三反系统,系统非球面最高次数为4次。设计结果表明,这种设计方法可用于实入瞳远心离轴三反成像系统的设计。