基于红外多光谱相机分析长后焦距对无热化设计的影响

在不同环境温度下,热差对红外多光谱相机的成像质量造成一定的影响,基于此,建立了红外多光谱相机的无热化模型,此模型将红外多光谱相机等效为分离式双透镜光学系统.在定焦距的情况下,分析了后焦距变长对前后透镜光焦度的影响,从光焦度绝对值与正负值变化情况对材料的选择范围进行约束,实现光学材料的快速选择.采用该模型对波段为8—14μm,焦距为50 mm, F数为1.4的红外多光谱相机在–40—+60℃范围内进行无热化设计.通过仿真分析,各视场在奈奎斯特频率为30 lp/mm处的值均达到0.39,接近衍射极限;弥散斑均方根半径均小于艾里斑半径19.17μm;轴向像差均小于0.02 mm.采用通道为9.43—11.53μm的红外多光谱相机对SF6气体进行成像实验,实验结果表明,经过无热化的红外多光谱相机对SF6气体的成像效果良好,设计方法正确可行.     

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.     

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。     

星敏感器光学系统弥散斑测试方法

提出了一种星敏感器光学系统弥散斑尺寸的测试方法,主要是利用平行光管、转台和CCD显微摄像系统组成弥散斑测量系统,采集图像后,采用双三次插值像元细分,提取图像中灰度值,依据瑞利判据计算弥散斑尺寸。通过实际测量和试验验证,光学系统0.8视场弥散斑测量精度可以达到0.5μm,重复测量精度可达0.2μm。     

大视场紫外告警相机光学系统研究与设计

为了提高紫外探测器系统的信噪比,确保紫外告警相机的低虚警率,分析与研究了大视场紫外光学系统的结构型式,采用反远距、准像方远心光路,实现了大视场光学系统的像差校正,使系统具有优良的成像质量及均匀的像面照度.设计了波段范围为0.254~0.272μm、视场角为110°、相对孔径为1/3的光学系统.系统成像质量良好,畸变小,像面照度均匀.成像质量分析结果表明:全视场最大弥散斑半径小于53.7μm,轴上、轴外视场像面照度均匀性小于15%,0.85视场的相对畸变小于20%,满足紫外告警相机的使用要求.     

基于DMD光谱可调的星模拟器光源光学系统设计

为满足在各种谱线分布下对星敏感器探测能力的高准确度标定,提出了一种基于数字微镜器件的光谱可调星模拟器光源光学系统设计方法,以解决星模拟器与星敏感器观星色温不匹配对星敏感器光信号定标准确度产生的问题.首先,根据设计指标选取Czerny-Turner型光学系统为光源光学系统,对Czerny-Turner型光学系统的彗差和象散进行分析,选取消彗差的Czerny-Turner结构;其次利用MATLAB程序求解Czerny-Turner型光学系统初始结构并应用ZEMAX对其进行优化;最后对光学系统进行公差分析.公差分析结果表明,在400~1 100nm的工作谱段范围内,光学系统的光谱分辨率小于2nm,设计结果满足要求,有效降低了光谱不匹配带来的定标误差.     

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.     

移动地面站宽温度跟瞄系统信标接收镜头

为了保证移动地面站光电跟瞄系统在野外复杂环境下具有稳定的跟踪精度,针对-20~40℃宽工作温度范围下信标接收镜头成像光斑弥散的问题,进行了光学系统与光机结构的设计,提出了一种以步进电机驱动补偿镜组的温度补偿方案。分析了极限温度条件下光学系统性能的改变以及不同温度补偿方案的效果,针对光电跟瞄系统的指标要求,设计了光机结构并进行了力学、光学性能的分析。分析结果表明,系统一阶模态为370 Hz;补偿镜组向前移动0.695 mm能够补偿-20℃时光学系统成像光斑的弥散,令中心视场光斑尺寸由73μm降为3.2μm,边缘视场光斑尺寸由77μm降为15.7μm;向后移动0.885 6 mm能够补偿40℃时成像光斑的弥散,令中心视场光斑尺寸由94μm降为3.9μm,边缘视场光斑尺寸由96μm降为21.8μm;使用ZYGO干涉仪对光学系统的像质进行检测,波像差RMS值(均方根值)为0.061λ(λ=632.8 nm),PV值(峰谷值)为0.466λ,能够满足跟瞄系统指标要求。     

长焦距反射式光学系统研究

本文研究了三反射镜光学系统的像差特性,提出用比较直观的解方程式的方法来设计三反射镜光学系统,举例说明了该系统的像差平衡及像质评价问题,得出焦距为4000mm,相对孔径为1:4,视场角为3°,弥散盘最大半径为6.35μm,对于空间频率150lP/mm,调制传递函数为0.36的结果。     

大口径红外离轴三反光学系统设计及公差分析

在空间光学领域中,光学系统的发展趋势为长焦距、大视场、轻量化、大相对孔径、高成像质量等。为适应该发展趋势,对大口径反射式光学系统进行研究,在共轴三反系统的成像理论基础上,为避免中心遮拦,提高成像质量,采用视场离轴方式,设计了一款大口径离轴三反式光学系统。该光学系统在奈奎斯特空间频率17 lp/mm处,光学传递函数MTF大于0.75,成像质量接近衍射极限。此外,光学系统公差的合理分配是影响相机总体性能的主要因素,运用公差灵敏度分析和反转灵敏度分析,计算各公差对光学系统成像质量的影响,给出了合适的公差分配,经过模拟分析,按照给定的公差加工装调,系统光学传递函数大于0.55。     

CMOS星敏感器光学系统的设计

基于对恒星星表V/50的统计,在确保一定捕获概率的前提下,确定了星敏感器光学系统的视场角和所能探测的极限星等,在此基础上,结合所选用的STAR-250CMOS探测器的性能,在保证一定信噪比的前提下,确定了光学系统的通光孔径、焦距、工作光谱范围和中心波长、弥散元大小等主要参数。以改进双高斯型结构为初始结构,在ZE-MAX平台上实现了具有良好像质的大孔径(F/1.198)、大视场(22.6°)、宽光谱范围(0.5μm~0.8μm)的光学系统的设计,满足了对弥散斑、能量集中度等的特殊要求。     

基于Zemax的大视场水下成像光学系统设计

水下成像是海洋探测的重要手段，为满足海底微光以及大视场成像需求，利用光学设计软件Zemax设计了一款总长70mm,相对孔径为1/1.5,视场角为90°的水下成像光学系统。系统采用反远距结构，优化后仅由7片球面透镜和1片平板水密窗口组成，系统具有结构简单紧凑、大视场和大相对孔径等优点。设计结果表明，在各视场内，弥散斑的均方根半径均被控制在7μm范围内，且调制传递函数曲线在奈奎斯特频率为56lp/mm处的值均高于0.45,系统具有优异的成像质量。在单个探测像元内，系统的衍射能量大于90%,能量集中度高。此外，公差分析结果显示，系统具有较好的稳健性，且加工工艺易于实现。设计满足水下成像系统对大孔径和大视场的需求，具有重要的应用价值。     

折反式大口径星敏感器光学设计及杂散光分析

大口径星敏感器已成为卫星导航领域的迫切需求,根据大口径和轻量化的研究目标,采用R-C系统和球面补偿透镜组相结合的结构型式,设计了一个视场1.8°、焦距719 mm,入瞳直径164 mm,工作波段0.45~0.9μm的折反式大口径星敏感器光学系统,采用像方远心设计,降低了像面离焦对能量质心位置计算的影响,同时提高了像面照度均匀性。根据像差理论计算初始结构参数,利用光学设计软件CODE V进行了光线追迹和优化设计,设计结果表明,光学系统遮拦比0.317,光学传递函数在特征频率26 lp/mm处,大于0.81,成像点80%的能量集中在3×3像元内,垂轴色差小于2μm,最大质心偏差小于2μm。采用内遮光罩、外遮光罩、次镜遮光罩和挡光环等消杂光设计来降低杂散光水平,利用Tracepro软件对光机系统的杂散光进行了仿真分析,分析结果表明,在离轴角6°~90°范围内,点源透射比在10-7~10-4量级,满足应用要求。     

双视场红外变焦镜头的无热化研究

研究了双视场红外变焦系统的光学被动消热差技术,通过理论分析温度变化对变焦光学系统性能的影响,推导出被动消热差公式.将热离焦和热色差作为两种附加的初级像差引入像差平衡关系式,可通过常规光学系统消像差的 4 种途径:分配光焦度、有效匹配光学材料、改变透镜形状和引入非球面实现全被动补偿.在此基础上建立了一个通用模型,该系统有 6 片透镜、一个非球面,在-45℃～+55℃温度范围内的2个视场均具有较好的像质、冷反射和较宽松的公差特性.在该模型中适当引入衍射元件,可减少镜片,提高光学性能.     

基于ZEMAX的手机摄像镜头设计

在光学工程软件ZEMAX的辅助下,配套采用像元大小为1.75μm的CMOS图像传感器,设计了一款500万像素的手机镜头,镜头视场角60°,F/#2.8,半像高2.87 mm,镜头总长为6 mm,镜头为3P1G结构,第1、3、4片镜片采用非球面塑料,第2片镜片采用球面透镜。各个视场的横向像差均小于20μm,均方根半径(RMS Radius)都在艾利斑之内,在1/2奈奎斯特频率处绝大部分视场MTF值都大于0.6,可以获得优质的成像效果。     

宽视场大相对孔径星敏感器光学系统设计

介绍了一种用于卫星姿态控制的星敏感器光学系统,该光学系统焦距为51 mm,相对孔径为1/1.1,视场角为21°×21°（圆视场2ω＝30°）,光谱范围为0.5～0.85 μm,采用了复杂化双高斯结构.与普通成像系统不同的是,该系统要求对不同光谱的恒星所采集到的点像能量中心是一致的,且星像点像的弥散圆须控制在一定的范围内.具有倍率色差小、轴上和轴外能量分布比较一致的特点.     

利用自由曲面进行微变焦共形光学系统设计

为使万向支架式共形导引头光学系统获得更大的无渐晕观察视场,设计了利用自由曲面进行像差平衡补偿的折反射式微变焦共形导引头光学系统.系统在所有观察视场中的均方根点斑直径都接近或小于像元尺寸,且在非零搜索观察视场中都具有接近衍射极限的成像质量,该方法使共形光学系统获得大的无渐晕观察视场成为可能.     

双视场/双色红外消热差光学系统设计

双色红外光学系统能够同时获取长波红外与中波红外的波段信息,有利于目标的搜索和识别.本文针对红外热像仪的需求,对双视场/双色红外光学系统进行了设计.实现了4.4～5.4μm/7.8～8.8μm双波段同时清晰成像,在F#为2.68情况下,通过切换变倍组完成9°×6.75°/3°×2.25°双视场转换.通过红外材料与光焦度的合理分配实现了折射式被动消热差设计.设计结果表明,系统在-40℃～+60℃工作温度下,像面稳定、像质优良,能够满足红外热像仪的使用需求.     

中波红外傅里叶变换成像光谱仪后置成像系统分析与设计

提出了一种基于多级微反射镜的静态化新型红外傅里叶变换成像光谱仪结构。系统不含狭缝和可动部件,因此光通量大、结构稳定。介绍了该成像光谱仪的工作原理和光程差的产生方式。根据系统原理对后置成像光学系统进行了分析与设计。结果表明:在-20℃~60℃的温度范围内,系统成像质量良好。全视场传递函数在CCD奈奎斯特频率17lp/mm处大于0.6。系统的均方根(RMS)最大光斑直径小于12μm,系统单个像元能量集中度大于80%,冷光阑匹配效率接近100%。以RMS光斑直径变化为标准,计算了系统的公差灵敏度矩阵,计算结果表明,后置成像系统0视场光斑尺寸小于16μm的可能性为97.7%。     

近红外偏振干涉光谱仪的光学系统设计

提出一种基于偏振干涉的单光路近红外光谱仪光学系统.针对光纤耦合卤钨灯光源,设计离轴抛物面镜准直和会聚光学系统.氦氖激光作为采集控制光源,用冷光镜与近红外光束实现分合.采用正交放置的格兰-汤普逊棱镜为起偏和检偏器,设置补偿晶体和扫描光楔完成偏振干涉的相位补偿.近红外光偏振干涉光谱仪光学系统的光谱范围为800~1 700nm,理论光谱分辨率优于8cm-1,通光口径Φ10.4mm.质量评价表明,全视场点列图均方根半径值约为1.7μm,垂轴色差小于0.2μm,全视场范围内几何包围圆Φ14μm之内能量达到100%.