小型无人机载大视场复眼相机光学系统设计

针对小型无人机载大视场光学成像观测需求,设计了一款仿生复眼大视场微小型相机.该相机光学系统总焦距为4mm,F数为4,视场角可达106°,在500m的飞行高度分辨率可达0.5m.所设计系统由曲面排布的微透镜阵列、光学像面变换子系统、图像接收和数据采集处理单元三部分组成.仿生复眼中的子透镜采用双胶合透镜组合以减小系统像差,相邻子透镜在满足视场一定重叠率的前提下,可允许相邻多达7个子透镜同时对地面目标进行成像,达到目标定位和测速的目的.仿真结果表明无人机载大视场复眼相机系统在给定的公差范围内像质满足要求,每个通道的光学畸变可控制在1.2%以下.     

宽覆盖高分辨率机载相机光学系统设计

针对机载相机广域高效航拍作业需求,采用新型级联光学成像结构,设计了一种宽覆盖高分辨率机载相机光学系统。该系统由对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列组成,对称前置同心物镜获取剩余像差均匀的宽视场曲面像,中继转像透镜阵列对该曲面像进行视场细分、剩余像差校正及中继成像。所设计的机载相机光学系统焦距为60 mm、F数为3.4、视场角可达132°。基于一阶理论和像差特性,在不同飞行高度对地观测时,研究了机载相机光学系统的成像质量与宽视场曲面像的关系,获得系统在不同飞行高度实现清晰成像的方法。通过像质评价,结果表明,优化设计的系统在低空、中空及高空进行对地观测时,像面光线追迹点列图方均根半径均优于1.6μm,在奈奎斯特频率为230 lp/mm处,调制传递函数均达0.4,系统成像性能优异且像质均匀。新型级联光学成像系统适用于不同飞行高度的机载相机。     

基于自由曲面透镜阵列的共形整流罩动态像差校正

为了校正大长径比、大扫描视角共形整流罩引入的动态像差,提出了一种固定自由曲面透镜阵列校正器。通过设计透镜阵列校正器中各透镜自由曲面的面形和旋转角度,校正不同扫描视角大长径比共形整流罩引入的动态像差。实验结果表明,自由曲面透镜阵列校正器可以对长径比为1.2的共形整流罩实现±50°扫描视角的动态像差校正。这种新型校正器具有动态校正器和固定校正器的优点,可适用于扫描视角大、长径比大以及稳定性高的共形整流罩光学系统。     

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.     

基于超透镜阵列的平面人工复眼研究（英文）

为了实现轻量化、集成化与大视场的光学成像系统,提出了一种基于超透镜阵列的平面化人工复眼结构。该结构使用基于几何相位原理的不同取向二氧化钛纳米柱结构来实现电磁波调控,使得超透镜阵列面与复眼的像面均为平面,不需要传统曲面复眼所需要的非球面加工。在传统超透镜聚焦相位的基础上叠加倾斜相位,能够较好地抵消光学系统非近轴区域光线离轴照明对成像质量的影响,实现大视场复眼的效果。所设计的复眼主要由一个11×11的超透镜阵列组成,总体尺寸仅为165μm×165μm,总体高度为18.6μm,视场角可达140°×140°。仿真结果表明:光线以较大离轴角(50°)照明的情况下,所提出的复眼结构仍能实现较好的成像效果。     

基于固定校正板和透镜阵列的机载共形窗口像差校正

为了校正大扫描视场机载共形窗口引入的像差,提出一种基于固定校正板和透镜阵列的静态校正方法。首先使用固定校正板校正静态像差;然后在像面前安置固定的透镜阵列,利用透镜阵列中的各个透镜单元分别校正不同扫描角度的动态像差;最后基于所提方法设计应用在机载共形光学系统中的像差校正器。设计结果表明,所提方法在±42°的扫描视场范围内能够良好地校正共形窗口引入的像差。与其他动态或静态校正方法相比,所提方法可以实现大扫描视场机载共形光学系统像差的校正,同时降低机载共形光学系统的质量,提高系统的稳定性。     

视场拼接复眼成像系统结构及装调方法

提出了以高分辨率、小视场的子眼镜头为中心,曲面阵列化排布多个分辨率较低、视场大的边缘阵列子眼镜头的人工仿生复眼的结构形式.基于物方视场空间应该保证无缝拼接并尽量缩小重合区域的原则,分析并得到子眼镜头在X方向和Y方向上视场角与复眼系统总体视场角的数学关系式,推导出了边缘阵列子眼镜头的周期阵列数n的数学模型,确定了子眼镜头在曲面上的阵列排布方式.依据曲面阵列排布形式设计了子眼镜头曲面固定本体,提出了利用自带光源的自准直经纬仪及计算机图像处理技术的装调方法.在实际装配和调整过程中,完成了中心子眼镜头和边缘第一阵列子眼镜头的安装,利用该系统采集图像数据,结果表明:物方视场空间的实际重合区域与理论设计一致.     

视场拼接复眼成像系统结构及装调方法EI北大核心CSCD

提出了以高分辨率、小视场的子眼镜头为中心,曲面阵列化排布多个分辨率较低、视场大的边缘阵列子眼镜头的人工仿生复眼的结构形式.基于物方视场空间应该保证无缝拼接并尽量缩小重合区域的原则,分析并得到子眼镜头在X方向和Y方向上视场角与复眼系统总体视场角的数学关系式,推导出了边缘阵列子眼镜头的周期阵列数n的数学模型,确定了子眼镜头在曲面上的阵列排布方式.依据曲面阵列排布形式设计了子眼镜头曲面固定本体,提出了利用自带光源的自准直经纬仪及计算机图像处理技术的装调方法.在实际装配和调整过程中,完成了中心子眼镜头和边缘第一阵列子眼镜头的安装,利用该系统采集图像数据,结果表明:物方视场空间的实际重合区域与理论设计一致.     

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.     

基于波前变换的自由曲面系统初始结构设计北大核心CSCD

自由曲面具有良好的像差矫正能力,但没有足够的初始结构供设计者参考,因此研究自由曲面初始结构的设计方法是有意义的.通常初始结构设计方法为大量点和光线的追迹或数值求解微分方程组,运算量大且复杂。文章从光学系统对光波变换的角度出发,推导自由曲面解析表达式,并设计一款工作波段较宽,相对口径较大的离轴红外光学系统,工作波段3~12μm,焦距300mm, F/2.5,视场角2.04°×2.56°,像质接近衍射极限且100%冷光阑效率,全视场波像差RMS值平均为0.059λ@3.67μm.     

大视场航空相机光学系统设计

针对航空相机复杂的使用环境以及需在高速运动中进行高分辨率成像的特点, 设计了一种大视场航空照相机光学系统。该系统光学结构采用双高斯准对称结构形式,通过双成像模块光学拼接扩大视场角,调整最后一片透镜实现内置调焦,且通过控制地物反射镜的3种工作模式,分别实现航空相机垂直照相、自动调焦及前向像移补偿功能,避免了航拍过程中温度、气压、航高等环境条件变化时引起的图像质量大幅下降,确保整个视场内成像质量不受影响。该光学系统设计实现了全视场无渐晕, 全视场最大畸变＜0.5‰,在91 lp/mm处MTF接近衍射极限,物镜在全视场范围内成像质量一致。通过实验室及航拍试验验证,该光学系统具有成像清晰、视场大、可靠性高、体积小、质量轻等优点,满足了航空相机在比较复杂环境下清晰成像的要求。     

高分辨率空间相机共轴三反光学系统实现形式研究

为了设计出高分辨率空间相机的光学系统,研究了反射式光学系统中存在次镜对主镜的中心遮拦等问题.通过对共轴三反射光学系统结构参数和最终视场在像面上的分布情况的分析,提出了半视场、全视场和环形视场3种光学形式,设计了焦距为3000mm、F数为10的3种形式的共轴三反光学系统.设计结果表明:3种共轴三反光学系统在有效视场角内成像质量均接近衍射极限,可以满足高分辨率空间相机不同的使用要求,指出半视场共轴三反光学系统适合于线阵CCD推扫成像,全视场共轴三反光学系统可用于面阵CCD凝视成像,环形视场共轴三反光学系统可实现一台相机上全色和多光谱成像的要求.     

机载双视场中波红外光学系统优化设计

为了满足机载红外搜索与跟踪系统的实嘎使用要求,根据变焦系统的基本理论及中波红外系统的特点,设计了320pixel×256pixel的中波制冷型焦平面阵列探测器的双视场中波红外光学系统。系统采用了二次成像结构,并在系统的第一像面位置安装光阑,以此减小杂散光对系统的影响。设计结果表明：系统具有100％冷光栏效率,在仅移动一片透镜的情况下可实现在800和400mln的两档变焦,系统F数为4且恒定不变,像面保持稳定,系统场曲〈0．04mm,畸变〈2．5％,在探测器的Nyquist频率16lp／mm处光学传递函数的峰值〉0．5,表明光学系统的像质满足使用要求。     

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。     

变焦结构光成像系统的光学设计

为了实现快速低成本改变光学系统焦距,设计了基于液体透镜的变焦结构光三维成像镜头和微透镜阵列。系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构, F#为3.2,全视场大小为10 mm,总长180 mm,焦距变化范围54 mm~61 mm。结果表明:该系统能实现投影距离227 mm~256 mm调节,调焦过程中目标表面清晰,细节分辨率高,系统在整个变焦区域内,在40 lp/mm时,全视场MTF优于0.2,系统场曲小于0.2,畸变小于0.2%。柱面微透镜阵列整体尺寸为10 mm×10 mm,周期宽度为1 mm,厚度为1 mm。随着投影距离的增长,光学系统成像质量先上升后下降,在237 mm处成像质量最优,随着投影距离的增加,光学系统的放大倍率增大,光学系统整体相对照度不均匀性小于0.2。     

大相对孔径长波红外光学系统无热化设计

 针对目前许多军工仪器红外成像系统的结构简单、体积小、质量轻的无热化设计要求,采用光学被动式方法对8 μm~12 μm波段、相对孔径为1的红外光学系统进行了无热化设计。具体光学系统参数：F=1,f=60 mm,2ω=11.4°。设计结果：在-40℃~60℃工作范围内,该系统的调制传递函数（MTF）接近衍射极限,空间分辨率在20 lp/mm处,中心视场传函接近0.7,边缘视场传函大于0.6。其设计结果满足系统的无热化设计要求。     

微型光纤传像束内窥镜的物镜设计

根据微型纤维软镜小尺寸、大视场的要求, 分析其设计准则, 采用"负-正"型反远距物镜作为初始结构, 确定其为像方远心光学系统。通过理论计算和Zemax光学仿真软件的不断优化, 最终设计出了一个工作波段在0.48 μm~0.65 μm, 焦距为0.37 mm, 全视场90°, 相对孔径为1:4的微型光纤传像束内窥镜物镜。该物镜由4片透镜组成, 包括1片负透镜、1片正透镜和1片双胶合透镜。设计结果表明:镜头总长3.89 mm, 最大横截面直径0.95 mm, 满足像方远心光学系统的初始设计要求, 在奈奎斯特空间频率77 lp/mm处的调制传递函数(MTF)近似为0.7, 接近衍射极限, 并且具有小尺寸、大视场、像质优良、结构合理、像面光照强度均匀等特点, 符合微型纤维式内窥镜的使用条件。     

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.     

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。     

Compound diffractive telescope system: design, straylight analysis, and optical test

The compound diffractive telescope is a novel space optical system which combines the structure of compound eyes with diffractive optics and so it has a lighter weight, a wider field of view (FOV), a lower cost as well as looser fabrication tolerance. In this paper, the design of a compound diffractive telescope composed of one primary lens and twenty-one eyepieces is introduced. Then the influence of diffraction orders on the performance of the system is analysed. A modified phase function model of diffractive optics is proposed to analyse the modulation transfer function (MTF) curves for 0℃ FOV, which provides a more accurate prediction of the performance of the system. In addition, an optimized mechanism is also proposed to suppress stray light. The star image and resolution tests show that the system can achieve diffraction limit imaging within ± 2℃ of FOV and ±4~mm of eccentricity. Finally, a series of pictures of an object are taken from different channels, and the splicing of pictures from adjacent FOVs is demonstrated. In summary, the designed system has been proved to have great potential applications.