宽视场大相对孔径高光谱成像仪光学系统设计

宽视场大相对孔径高光谱成像仪已成为航空海洋水色遥感等领域的应用需求。根据宽视场和大相对孔径的研究目标,采用离轴Schwarzschild望远成像系统和改进型Dyson光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个视场为40°、相对孔径为1/1.8、工作波段为0.35~1.05μm的航空遥感高光谱成像仪光学系统。基于像差理论,分析了改进型Dyson光谱成像系统球差校正原理,运用光学设计软件Zemax对高光谱成像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。分析结果表明,设计的光学系统在各个波长的光学传递函数均不小于0.82,谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元尺寸的5%。这便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且系统体积小、重量轻,适合于航空遥感应用。     

基于互信息的干涉成像采样系统性能分析

为了优化干涉采样成像系统的设计,采用端到端的互信息量评价系统的性能.建立了基于互信息的干涉采样成像系统数学模型.利用该模型得到了互信息量最大时光学成像系统和CCD的匹配条件:相干成像光学系统的截止频率等于CCD的Nyquist频率.分析了物体频谱分布、噪声、光源相干性和光学成像系统像差对互信息量的影响.结果表明,它们不影响光学成像系统和CCD的匹配条件.     

多角度耦合分幅相机光学系统设计

为实现高速相机的分幅功能,本文提出一种采用多角度耦合分幅方式的高速相机光学系统。该系统分幅结构采用多组相同的光学系统,在平行于物面的圆周上均匀分布,分别从不同角度拍摄同一物面,在保证各组系统的物方视场相同的情况下,每组光学系统的光轴与物平面的夹角均相同,通过优化设计得到全视场的最佳成像。根据需求,使用光学设计软件设计了多角度耦合四分幅成像中长焦光学系统并绘制三维立体仿真模型,分析了每组像面像质、照度以及畸变等相关参数,调制传递函数MTF在频率为50 lp/mm处不低于0.5,F数为2,畸变小于0.4%,相较于常用的棱镜和反射棱锥分光方式,无需额外分光结构,像面照度提高4倍以上。结果表明成像质量理想,分幅相机系统各像面所成像一致性高。     

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。     

星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学设计

研究星载宽视场差分吸收成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据宽覆盖轻小型星载大气痕量气体差分吸收成像光谱仪的研究目标,采用偏轴两镜系统和中继系统匹配的结构型式设计出无遮拦宽视场望远系统,将宽视场望远系统和Offner光谱成像系统匹配,设计了一个视场60°×0.24°、相对孔径1/3、工作波段280~450 nm的星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件Zemax-EE进行了光线追迹和优化设计,光谱成像系统不同波长的点列图半径的均方根(RMS)值均小于5 mm,光谱分辨率0.692 nm,满足不大于1 nm的指标要求,差分吸收成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.67以上,完全满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

基于信息失真的光电成像系统优化方法

提出了一种利用信息失真参数研究光电成像系统优化匹配的新方法。分析了光电成像系统频谱混叠问题,将物光强函数分解为一系列非负谐波函数,并对谐波的成像结果进行了求解。在此基础上,建立了物、像与光电系统的信息模型,进而对不同光学系统截止频率下的信息失真度进行了数值计算,阐述了基于信息失真的光学系统与探测器的匹配关系。结果表明,当探测器像元边长为10 μm时,高斯物频谱应选择截止频率为100 mm-1的衍射受限光学系统才能获得最小失真度0.144 1。     

激光位移传感器的光学系统设计

针对目前国内自主研制的激光位移传感器精度低,测量范围小等问题,提出了一种采用光学设计软件预先仿真整个激光位移传感器光学系统的方法。在分析系统各部分的光学特性的基础上,结合具体要求设计了一个激光位移传感器的光学系统,其工作范围为（50±10）mm。采用系统分割的方法,将整个光学系统分为两部分进行设计,第一部分是激光束的整形透镜,要求在有效的工作范围内得到小而均匀的出射光斑,设计结果表明,在测量范围内,光斑大小能够控制在10-1mm量级;另一部分是被测面散射光接收的成像物镜,该系统的特点是物面和像面相对于光轴都有一定的角度,实验结果表明其成像满足Scbeimpflug条件。     

像增强器MTF测量理想像面选择方法研究

为了能够获得准确的调制传递函数测量结果,对测量系统中投射图像的理想成像面进行选择性调节。通过对微光像增强器调制传递函数测量系统光学成像性质的深入分析,讨论了光学系统的像差特性,利用平均中点取值法实现了微光像增强器调制传递函数测量中对理想成像面的选择。通过与微光像增强器已有测量结果的对比,证明所述方法能够保证微光像增强器调制传递函数测量的准确性。     

星载多角度偏振成像仪光学系统设计

星载多角度偏振成像仪是一种超广角画幅式低畸变成像的偏振传感器。介绍了多角度偏振成像仪的基本工作原理,从保证偏振测量精度和大视场成像质量要求出发,分析了光学系统的设计难点及光学系统的结构型式,最终采用了反远距型像方远心光路结构。根据光路结构的像差特点,采用非球面镜校正畸变及像散,改善像面照度的均匀性,依据这样的思路,运用光学设计软件对多角度偏振成像仪的光学系统进行了光线追迹和优化,其工作光谱范围为420~930 nm,全视场角为118.74°,焦距为4.833 mm,相对孔径为1:4,并对设计系统进行了像质评价,结果表明,光学系统的传递函数在全视场大于0.5@22.22 lp/mm,最大畸变为0.9669%,像面相对照度均匀性高于97%,经过光学系统的加工制造装调,成像质量满足实际任务要求。     

大焦深成像系统仿真实验研究

如何增大非相干光学成像系统的焦深是应用光学研究领域的热点问题.本文对采用高次非球面光学掩模板与图像处理相结合增大成像光学系统焦深的新方法进行了深入分析,建立了大焦深成像系统仿真实验模型,并进行了大焦深成像系统仿真实验.实验结果证明了该方法在维持原相对孔径的同时使光学系统在较大的离焦范围内有好的成像质量.实际应用中还要综合考虑模板参量、信噪比等关键因素.     

Two Lagrange-like optical invariants and some applications

Geometric optics can be completely derived from Fermat's principle, as classical mechanics can be obtained by the application of the Hamilton principle. In Lagrangian optics, for optical systems with rotational symmetry, is known the invariant L?, the Lagrange optical invariant. For systems built only with spherical lenses, we demonstrate there are two other optical invariants, L? and L?, analogous to L?. A proof based on Snell's law, the Weierstrass-Erdman jump condition, and the expression of the ray between two optical surfaces in the Hamiltonian formalism is reported. The presence of a conserved vector, L, allows us to write the equation of an emerging ray without any approximation.     

多视场离轴全反射式光学系统

讨论了以长焦距、宽视场光学系统为应用背景的多视场离轴全反射式光学系统。全反射式光学系统进行离轴使用,可以实现无中心遮拦,能量利用率高。在离轴全反射式光学系统中通过移动或旋转反射镜组可得到多视场离轴全反射式光学系统。分析了多视场离轴全反射式光学系统的设计基础、设计方法及特点,并给出了双视场离轴全反射式光学系统和三视场离轴全反射式光学系统的设计结果。     

用于海空目标成像的水下超广角光学系统设计

分析了水下超广角成像光学系统的设计特点。基于鱼眼镜头结构,设计了相对孔径为1/2,水下全视场为105°,焦距为6.8mm,光谱响应范围为可见光波段,采用同心球面罩的水下光学系统。该系统在空气中的全视场MTF在空间频率40lp/mm时均高于0.8;在水中时,在40lp/mm时,均高于0.4,能够满足水下光学系统对整个半球空域海空目标成像的要求。     

折反式超短焦投影镜头设计

针对国内外市场对近距离、大屏幕投影系统中需降低投影镜头加工难度及成本的要求,该文设计了一款超短焦投影镜头。设计过程中选用折反式结构,利用物、像关系原理,结合物方视场计算反射镜面型参数,得出反射镜面型。该方法便于校正大视场畸变、抵消折射镜组的像散和场曲,整个光学系统包括15片球面透镜和一片非球面反射镜,系统总长286 mm,投影距离500 mm,投射画面尺寸254 cm(100英寸),系统投射比0.22,相对照度大于85%,MTF(modulation transfer function)在0.4 lp/mm时大于0.5,水平TV畸变小于0.55%,垂直TV畸变小于0.65%。该系统的多项设计指标均优于市面上现有的产品指标,采用同轴球面设计易于加工、装调,可有效降低生产成本。     

高质量数字全息波面重建系统研究

基于阿贝成像理论对数字全息波面重建系统进行研究. 结果表明,利用成像系统对物光场进行变换,可以让物光场的高频角谱分量到达电荷耦合器件（CCD）探测器.为研究重建物光场质量,导出了CCD在光学系统后任意位置波面重建的计算公式,研究了物光通过傍轴光学系统到达CCD时波面重建系统的脉冲响应. 理论及实验研究表明,将CCD平面置于物光场像平面附近可以对物光场进行高质量重建. 关键词： 信息光学 数字全息 波面重建     

3D shape measurement of a ground surface optical element using band-pass random patterns projection

For manufacturing a fine optical glass lens, it is important to obtain a 3D profile of a semi-finished product with a rough surface. We develop an active binocular 3D scanning setup to measure the 3D profile of a rough surface optical element. Two cameras simultaneously capture the band-pass binary random patterns which are projected on the target object. The highlight of this system is using the temporal correlation technique to determine the stereo correspondence between the pixels of the two cameras. The 3D point cloud can be reconstructed by the triangulation principle. Experiment results confirmed that this method effectively measures the rough surface of an optical element with sufficient accuracy.     

Perturbation to Lie Symmetry and Lutzky Adiabatic Invariants for Lagrange Systems

Based on the concept of adiabatic invariant, perturbation to Lie symmetry and Lutzky adiabatic invariants for Lagrange systems are studied by using different methods from those of previous works. Exact invariants induced from Lie symmetry of the system without perturbation are given. Perturbation to Lie symmetry is discussed and Lutzky adiabatic invariants of the system subject to perturbation are obtained.     

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。     

Optical circular sampling system for translation and rotation invariant pattern recognition

A simple but effective rotation invariant pattern recognition method based on optical circular sampling of the input pattern is described. The object is decomposed by a set of concentric rings. The distribution of energy between those rings is independent of the orientation of the object and characterizes it sufficiently to allow its classification. A computer generated hologram formed of concentric diffraction grating rings of suitable spatial frequencies may perform the sampling in parallel. In combination with a lens, each ring is then focused to a given position on a CCD detector where the intensity distribution may be found. Translation invariance is added to the system by sampling the intensity of the Fourier transform of the input object in combination with a liquid crystal light valve. A phototypesetter is used to write the hologram whose quality is demonstrated by optical experiments.     

表面极化子光学声子平均数的磁场和温度依赖性

采用变分法、幺正变换和拉格朗日乘子法,研究了有限温度下纯二维晶体中表面磁极化子的性质.讨论了表面光学声子平均数、磁极化子振动频率λ与磁场B、温度T及Lsgrange乘子u之间的关系.对KCl晶体进行了数值计算,结果表明:磁极化子振动频率、表面光学声子平均数均随磁场B的增强而增加,且随温度T升高而增加.当bgrange乘子u超出慢电子范围时磁极化子振动频率、表面光学声子平均数均随u增加而增大且变化越来越显著.