基于自由曲面的大视场离轴反射光学系统设计

大视场离轴反射光学系统可以获取丰富的信息资源,是未来空间光学系统的发展趋势。自由曲面在离轴反射光学系统中的应用可以增大系统视场,但大视场自由曲面离轴反射光学系统初始结构较少,优化过程复杂,设计难度大。提出了一种大视场自由曲面离轴反射光学系统设计方法,首先基于矢量像差理论与费马原理直接获得成像质量较好的无遮拦自由曲面初始系统,再对其进行简单优化即可得到最终的大视场自由曲面光学系统。该方法可以降低大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计难度。设计了一个大视场自由曲面离轴三反光学系统,光学系统视场为30°×3°,F数为2,验证了所提方法的有效性。     

基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.     

大视场大相对孔径斜轴离轴三反望远镜的光学设计

推导了离轴三反光学系统的线性像散平衡条件,在此基础上采用倾斜母镜光轴的方法设计了大相对孔径时大视场像散校正的斜轴离轴三反光学系统.系统视场为5°×5°,相对口径为1/3.1,口径为250mm,波段为400～2 500nm.将该系统与相同光学参数的共轴二次非球面离轴三反系统和共轴高阶偶次非球面离轴三反系统进行对比.结果表明斜轴离轴三反光学系统所有视场的光学传递函数在17lp/mm处均大于0.73,由于反射面采用圆锥曲面,其在偏轴视场成像质量方面有明显优势.对斜轴离轴三反光学系统的加工与装调进行了分析,其公差较为宽松,验证了其结构实现的可行性.     

基于正交种子曲线扩展算法设计自由曲面离轴反射无焦系统

离轴反射无焦光学系统在空间望远镜中具有重要的应用,自由曲面能够校正离轴反射系统中的非对称像差。设计自由曲面离轴反射无焦系统的初始结构非常关键。提出了正交种子曲线扩展算法(OSCE),可直接设计自由曲面离轴反射无焦系统的初始结构。为了验证方法可行性,分别设计了放大倍率为10和20的离轴无焦三反和四反系统。设计结果表明离轴三反系统初始结构均方根(RMS)波前差为0.36 λ,离轴四反系统初始结构波前差为0.18 λ。对这两个初始结构分别进行优化,优化之后的RMS波前差小于0.02 λ。     

基于矢量像差的自由曲面光学系统像差特性研究

基于矢量像差理论,提出了以Zernike多项式为表征函数的自由曲面光学系统像差分析方法,推导了在未消像散和彗差的光学系统中引入自由曲面后系统像差解析表达式,利用光学设计软件对远离光阑位置的自由曲面所导致的像差节点分布特性进行了仿真验证。仿真结果与理论推导一致,证明该方法可以用来解析自由曲面光学系统像差。最后,应用该方法设计了含有自由曲面的大视场离轴三反光学系统。系统焦距850 mm,F数6.5,系统在成像视场20°×2°范围内的畸变小于0.25%,成像质量满足使用要求。     

易于多面共体加工的自由曲面离轴三反系统设计

将自由曲面离轴反射系统的曲面加工在同一个基底上实现了多面共体制造,可以有效降低装调难度,进而提升系统的稳定性。提出了一种有柱形轮廓的多面共体自由曲面离轴三反成像系统的设计方法,基于共焦离轴二次曲面实时生成满足离轴共体系统结构和初阶参数要求的初始结构。提出了一种基于曲面采样点位置约束的自由曲面优化方法来控制系统整体外轮廓的形状与大小,使系统的曲面易于实现共体加工。基于光线追迹信息控制系统的焦距,并抑制光线遮拦和光瞳像差。采用Q2D多项式自由曲面进行系统优化,降低曲面检测难度。最终设计了一款高像质、低畸变、易于共体加工的自由曲面离轴三反热成像系统,并根据自由曲面面形特点对该系统进行了公差分析。     

非对称轻小型头盔显示器光学系统设计

针对非对称光学系统视场范围和出瞳直径较窄、光学结构复杂、制造成本昂贵、装配调整麻烦等问题,本文采用在系统中加入自由曲面反射镜的设计方法。首先,论述了双反射镜非对称光学系统的设计要求和工作原理。然后,分析了三反射镜非对称光学系统的离轴结构控制方法。最后,采用XY多项式自由曲面反射镜折叠光路、消除遮拦、扩大视场、校正离轴像差,设计出一款适用于头盔显示器的非对称光学系统。设计的双反射镜非对称光学系统的视场为60°×30°,出瞳直径为8 mm。在截止频率52 lp/mm处,全视场的调制传递函数值大于0.25,系统畸变小于5%,单目系统重量约为190 g。设计结果表明,该非对称光学系统的视场大小和成像质量均有所提升,实现了小型轻量化,可应用于头盔显示器。     

基于自由曲面的大视场天基探测光学系统

设计了一种大视场空间光学探测系统,结合空间目标特性及探测器性能指标计算了系统参数,确定了系统的技术指标,实现了对空间255 km处目标9等星的探测。系统采用离轴三反式光学结构,工作波段为400～900 nm,焦距为64 mm,视场角为30°×30°。系统的主镜和三镜分别采用Zernike多项式和XY多项式自由曲面进行设计,对系统进行光线追迹获取了自由曲面的离散点数据,利用Matlab对获得的离散点进行拟合,得到了主镜和三镜的自由曲面面型。系统的能量集中度高,成像质量良好。     

光瞳离轴自由曲面光学系统像差特性分析

基于节点像差理论,提出了以泽尼克多项式为表征函数的光瞳离轴自由曲面光学系统像差分析方法,推导了光瞳离轴自由曲面系统的三阶像散和彗差解析表达式,分析了自由曲面对光瞳离轴系统像差节点分布的影响。根据像差分布特性,有针对性地选取和优化泽尼克系数,设计了一个光瞳离轴自由曲面空间天文光学系统,系统有效焦距为25m,口径为2m,视场为1.2°×1.2°。自由曲面的引入,使系统三阶像散和彗差节点重新回到视场中,不仅平衡了系统光瞳离轴引起的非对称像差,而且有效控制了全视场内点扩展函数(PSF)椭率,减小了星体观测时的测量误差。系统成像质量接近衍射极限,满足使用需求。     

基于CGH多镜定姿定态的离轴光学系统装调方法

针对离轴光学系统装调过程中自由度高且互相耦合的问题,提出一种新的离轴自由曲面反射式光学系统装调方法,采用计算全息图（CGH）实现多镜共基准定姿定态,解耦合系统各镜片的装调自由度,显著降低系统装调复杂度;分析CGH用于定姿定态时的定位精度,提高系统装调精度和效率,适应不同构型的离轴光学系统。利用上述方法,完成口径为210 mm、视场为2°×2°的近红外长波红外双波段离轴反射式光学系统装调,全视场波像差RMS小于0.126λ（λ=632.8 nm）,达到设计预期,装配周期短,成像质量优良。     

Design method for freeform reflective-imaging systems with low surface-figure-error sensitivity

Freeform surfaces are difficult to manufacture due to their lack of rotational symmetry. To reduce the requirements for manufacturing precision, a design method is proposed for freeform reflective-imaging systems with low surfacefigure-error sensitivity. The method considers both the surface-figure-error sensitivity and optical specifications,which can design initial systems insensitive to surface figure errors. Design starts with an initial planar system; the surface-figure-error sensitivity of the system is reduced during construction. The proposed method and another that is irrelevant to figure-error sensitivity are used to design a freeform off-axis three-mirror imaging system.Comparison of the sensitivities of the two systems indicates the superiority of our proposed method.     

太赫兹成像准光学系统设计

为了设计出适用于太赫兹波段成像的光学系统,综合分析了各种成像系统的特点,其中离轴三反射式光学系统具有独特的优势。通过对离轴三反射式光学系统的设计原理、设计方法和步骤的详细介绍,利用ZEMAX光学设计软件,通过编写简单的ZPL宏指令以及光阑和视场离轴,设计了工作在太赫兹波段、入瞳大小250 mm、瞬时视场1 mrad、焦距800 mm、F数3.2的系统,实现了可用于太赫兹波段无中心遮拦的离轴三反射式准光学成像系统设计。     

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。     

宽视场长焦距离轴三反射镜光学系统的设计

分析了离轴三反射镜系统成像特性．根据共轴三反射镜光学系统像差理论，确定结构参数的基本计算公式．设计了长焦宽视场的离轴三反射镜光学系统，分析了系统结构参量对像差的影响．结果表明，该系统视角较大，地面复益范围较宽，成像质量接近衍射极限．     

二维太赫兹探测成像光学系统设计

二维太赫兹探测成像适用于以太赫兹波作为探测波的安全检查和质量控制等方面。为实现大视场的二维太赫兹探测成像光学系统设计,根据匹兹万条件,分析了光学三反系统面型,并提出了一种反远距离轴三反结构,设计了视场角为20°×20°,焦距为70mm,F数为3.5的离轴三反光学系统。设计结果表明,该光学系统调制传递函数接近衍射极限,各个视场的点列图均方根半径均远小于艾里斑半径,具有良好的成像质量,满足设计要求。     

离轴三反红外双波段景象模拟器光学系统设计

 针对红外双波段成像系统性能测试与评估的应用需求,设计了3 μm～5 μm和8 μm～12 μm红外双波段视景仿真用离轴三反光学系统。在共轴三反光学系统成像理论基础上,分析了孔径光栏远离主镜的离轴三反系统像差特性,研究了大出瞳距、大相对孔径条件下离轴三反光学系统的结构设计和像差平衡方法。系统焦距为330 mm,F#为3,视场为6°×4.5°,出瞳距为750 mm,在空间频率10 lp/mm 处,中波红外MTF>0.65,长波红外MTF>0.4,接近衍射极限。具有大视场、大出瞳距、高分辨率、结构紧凑等特点。     

无人机异步图像数据采集系统设计

针对无人机遥感要求高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率且体积小、重量轻,采用离轴三反消像散光学系统满足其大视场轻量化设计要求.提出各相机异步工作,采用单片现场可编程门阵列(FPGA)实现各异步相机数据整合并以同一参考时钟同步实时输出.介绍了整个异步图像数据采集系统的结构,采用FPGA内部的异步先进先出(first in first out, FIFO)实现两路不同时钟域数据按接收端时钟同步输出,在Xilinx ISE7.1环境下用Modelsim6.1进行了时序仿真,并进行了实际测试.实验结果表明:系统稳定可靠,整个成像系统焦距f=70 mm,相对孔径D/f=1/6,视场角2w=65°.采用两组线阵CCD相机工作,总重量仅6 kg.     

主三镜一体化离轴三反光学天线设计

为提高空间激光通信离轴三反光学天线的装调效率,需要对反射镜总的装调自由度进行优化设计。基于共轴三反无焦系统的设计原理,提出一种主三镜一体化的设计方法,并推导了光学系统结构参数之间的关系,利用Zemax光学软件设计了一种结构紧凑、主三镜一体化的离轴三反光学天线。设计结果表明:全视场光学像质优于衍射极限,主镜和三镜空间位置相接近,可共母板加工和面形共基准检测,为主三镜的一体化加工提供了方法。光学天线的装调自由度减少了6个,降低了装调难度,提高了装调效率。     

Wide field-of-view foveated imaging system

We have designed and demonstrated a simple, wide field-of-view (FOV = 60°) foveated imaging system utilizing a deformable mirror. The deformable mirror is used to dynamically correct the off-axis aberrations that limit the useful FOV of the system. The system mimics the operation of human eye through creating an image with variable spatial resolution and can be made significantly smaller and more compact than a conventional wide FOV system. Experiments show that this system can be used in many areas where size, weight, and data transmission bandwidth are critical.     

宽视场长波红外光学系统设计

介绍了宽视场长波红外(LWIR)光学系统技术指标。离轴三反射镜消像散(TMA)型光学系统光谱覆盖范围宽,可提供一个空间分辨率高、观测范围大的无遮挡视场,能够在F数相对较小的光学系统中实现接近衍射极限的光学性能。TMA型光学系统能满足推扫式LWIR扫描仪所要求光学系统大观测视场、高光学效率等指标,可作为预先研究星载遥感仪的光学结构。