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．     

一种高分辨力空间相机的光学设计

针对某一种光学设计指标要求的高分辨力空间相机,在计算分析光学系统参数的基础上,利用Zemax光学设计软件设计了同轴三反射镜(TMC)系统,二次成像离轴三反射镜(Cook TMA)系统和一次成像离轴三反射镜(Wetherell TMA)系统3种光学系统,均满足了指标要求。对比分析了三种光学系统的优缺点,在综合考虑光学系统的加工、检测和装调能力以及空间相机技术发展先进性的基础上选定了将Wetherell TMA系统作为最终方案,相机外形尺寸为1600 mm×1230 mm×545 mm,系统焦距为4375 mm,相对孔径为1:9.94,视场角为2°。对该光学系统的性能进行了模拟和验证,计算分析了光学系统的传递函数、像差、畸变等,各项指标性能优异,最后对该系统的光阑和杂光消除进行了分析并对光学系统的公差进行了合理的分配。     

圆周式无遮拦三反射镜光学系统设计

为满足无遮拦三反射镜光学系统体积小、光学性能高的发展需求,提出了一种圆周式三反光学系统.以近轴矩阵法求解的共轴三反系统为初始结构,在保证各二次曲面反射镜的焦点依次衔接的条件下,将各元件适当地倾斜偏心使系统无遮拦,并使系统的光路折叠在三个反射镜所围成的区域内,减小了系统体积.使用子午面对称的Zernike多项式曲面校正系统像差,提高成像质量.设计的非致冷长波红外光学系统焦距为310mm,F数为1.55,视场为1.774°×1.331°.各视场的调制传递函数在Nyquist频率(20lp/mm)处均高于0.52.     

一种新型离轴三反式光学系统的设计

在三反射镜光学系统的几何光学理论的基础上，设计了一个焦距f=1000 mm,相对孔径D/f=1/4，视场角2w=3°的离轴非球面三镜反射系统，讨论了优化方法和各参量对系统结构和像差的影响.     

无遮拦三反射镜变形光学系统设计

变形光学系统在X方向和Y方向有不同的焦距,物方视场的横纵比不再受探测器光接收面形状限制,可以在一个方向上扩大视场或提高目标分辨率而不影响另外一个方向。研究了无遮拦三反射镜变形光学系统的设计方法,利用Zernike像差分析方法分析变形系统的像差特点,使用具有双曲率的Biconic Zernike曲面作为反射面校正系统像差。设计了一个X方向焦距fx为100mm,Y方向焦距fy为150mm,F数为2,视场为3.3°×1.65°的致冷型中波红外光学系统。探测器的横纵比为4…3,物方视场横纵比为2…1。该系统全视场范围内的调制传递函数在奈奎斯特频率处(33lp/mm)高于0.61。三个反射面及整个光学系统均关于YZ平面对称。设计结果表明,该系统能够改变物方视场的横纵比,增大了X方向的视场,结构紧凑,成像质量良好。     

用像差逐项优化法装调离轴三反射镜光学系统

在对复杂光学系统粗装调完成之后 ,利用自准干涉检验的办法 ,采集光学系统各视场的干涉图 ,然后用干涉条纹分析软件算出整个系统波前误差 ,其量值用泽尼克系数来表示 ,通过泽尼克系数与系统的波像差的关系 ,判断要调整的目标值 ,即当前在光学系统中占主导地位的波前误差 ,对主导误差优化 ,得到系统的失调量 ,由光学设计软件确定其正确后 ,进行一次精密装调。然后进行多次这样的计算机迭代和优化 ,直到光学系统达到最好的调整状态。运用此方法来装调大口径 ,长焦距离轴三反射镜系统 ,在波长λ等于 6 32 .8nm时 ,该离轴三反射镜系统中心视场波像差均方根值达到了 0 .0 94λ ,+1°视场和 - 1°视场的均方根值分别为 0 .10 6λ和 0 .12 5λ。     

逐级优化制定离轴三反射光学系统加工装调公差

逐级优化法是根据离轴三反射光学系统结构参数的像差灵敏度系数大小来确定主镜、次镜和第三反射镜的加工次序的。其方法是逐级优化确定各光学零件的加工公差,加工完成后测量光学元件结构参数,代入光学设计软件进行优化,进而确定光学系统的装调公差。采用该方法制定三反射系统的加工装调公差时将加工和设计过程有机的结合起来,在满足设计要求的前提下使系统的加工和装调公差得到最大程度地放松。     

共轴偏光瞳宽视场折轴三反射光学系统设计

共轴偏光瞳系统克服了共轴系统视场角有限,离轴系统加工和装配困难等缺点,能更好满足空间对地观测等领域的要求.由共轴三反系统求解共轴偏光瞳无遮拦三反射镜光学系统的初始结构参数,设计了焦距为3 000 mm,F数为10的共轴偏光瞳的三反射光学系统.设计结果表明:该系统视场角达8°×0.8°,空间频率50 lp/mm,调制传递函数值均大于0.55,接近衍射极限,满足系统对成像质量的要求.     

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。     

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。     

激光靶心冲击波观测镜折反式光学系统设计

设计了一种激光靶心冲击波观测镜的光学系统.用反射式光学系统代替折射式光学系统,解决了普通玻璃在200 nm端透过率较低的问题.反射镜不引入色差,有利于系统在200~800 nm谱段消色差.为消系统轴外像差,反射系统选型为对称式.反射镜全部采用球面镜,为消反射镜以及平板玻璃窗带入的球差,引入校正镜(材料JGS1),在满足要求的条件下,控制折射镜的厚度,使系统色差满足瑞利判据的色差允差,得到了良好的成像质量.     

利用离轴三反镜光学系统确定各镜的装调公差

利用条纹泽尼克系数与赛德尔像差的关系,在三反镜光学系统的出瞳面上,用条纹泽尼克系数来表示系统的波像差。通过光学设计软件Zemax计算得到三反镜光学系统各镜的装调公差,以公差要求高的镜面作为装调基面,从而减少要调整的自由度。通过分析泽尼克(Zernike)系数在公差范围内的变化幅度来确定光学系统在出瞳面上各个像差的变化幅度,用该幅度的变化量来决定主次三镜各自由度在各个方向上的敏感度,最终确定各个自由度的优化调整级别。对一大口径无遮拦离轴三反镜光学系统进行了装调,在波长λ=632.8nm的条件下进行了检测。结果表明:整个光学系统全视场波前误差的均方根值RMS=0.108λ。     

Aberration correction of a single aspheric lens with particle swarm algorithm

In order to design a single aspheric lens to meet the requirements of spherical aberration, the particle swarm algorithm is applied to the aberration correction for a single aspheric lens. A mathematical model is constructed, and a program code is developed. Merit functions in an optical system are employed as fitness functions, which combined coefficients of a higher order polynomial equation, a reciprocal of radius of curvature, the conic constant, thicknesses among lens surfaces and refractive indices regarding an optical system. By using this function, the automatic correction of spherical aberration is carried out. The example for a single aspheric lens design using particle swarm algorithm shows that PSO as a tool of the spherical aberration correction for a single aspheric lens is simple and effective, and easy to find a series of good design results. The asphere's more complex surface profile can reduce or eliminate easily spherical aberration at different incidence heights at one time. The automatic design and analysis of a single aspheric lens using this method from the view of a particular optical design problem are presented.     

像质检测用光学窗口的温度适应性设计与实验北大核心CSCD

为了在温度变化条件下对光电成像系统进行像质检测与评价,设计一种具有温度自适应功能的光学窗口。分析了温度变化对光学玻璃面形的影响,进行光学窗口的温度适应性光机结构设计,通过有限元分析与实测实验相结合的方法分析了温度变化对光学窗口面形的影响,验证了温度适应性设计的有效性。实验结果表明:常温20℃条件下,光学窗口波像差的PV值和RMS值分别为82.90 nm和6.96 nm;高温50℃条件下,波像差的PV值和RMS值分别为136.68 nm和14.55 nm;低温−40℃条件下,波像差的PV值和RMS值分别为183.51 nm和28.48 nm;高、低温环境下光学窗口的波像差与常温环境下结果对比的数值变化趋势与有限元分析结果具有较好的吻合性;在3种温度条件下光学窗口波像差的PV值均小于或接近(1/4)λ,且由于温度变化引起的光学窗口面形变化很小,设计的光学窗口具有较好的温度适应性。     

Optical system design with conformal decentered and tilted elements

We investigate the aberration properties of the conformal optical system with decentered and tilted elements by vector aberration theory.By decentering and tilting the window and corrector of the system,two elements are effectively used together in a particular manner by aberration compensation to achieve off-axis imaging.A conceptual design is performed with a half-field of 2° ,the F# of 4,and the wavelength ranging of 3700-4800 nm.The imaging quality can reach the optical diffraction limit and satisfy corresponding requirements.     

用2种光学设计软件对像差特性进行的研究

目前用于光学设计的计算机辅助设计有许多种,但它们在像差特性参数的形式和表示方法上不尽相同,特别是国内外软件的这种差别更为明显,例如：ZEMAX将球差表示为“Longitudinal aberration”(纵向像差),其表示形式也与国内软件不同。另外,有些像差参数需要转换。采用美国焦点软件公司开发的光学设计软件ZEMAX和国内北京理工大学编写的DOS版CAOD对同一双胶合透镜进行光路计算,同时对其轴上球差、彗差、场曲和畸变等主要几何像差在2个软件之间的差别进行比较,以建立国内软件与国外软件在进行光学镜头设计时的光学像差特性参数的转换关系,并为光学设计者提供设计一种镜头或光学系统时使用不同的软件进行数据核查和复算的方法。     

同轴收发卡式系统加入平板后的像差校正研究

在卡式系统的后光路中加入倾斜的平板,实现同轴透射端可见光的接收及反射端红外光的发射。该卡式系统口径为400 mm,焦距为4 000 mm,视场为±1.5′,加入平板后会给系统造成较大的像差,为了达到系统设计要求:角分辨率小于1″,MTF曲线在35.7 lp/mm处高于0.6。分析了倾斜平板产生的像差,对比不同材料和厚度的平板对像差的影响。通过加入偏转的双胶合透镜校正像差,但该方法会使系统的出瞳位置发生变化,从而提出使用偏转三胶合透镜保证出瞳位置的校正方法,并对加入的透镜进行公差分析,最终达到设计指标。     

偏心和倾斜光学系统的像差特性

运用一种新的分析偏心和倾斜光学系统初级像差特性的方法—矢量像差理论,分析了具有较大交叉倾斜角的平行平板光学系统和具有较大倾斜角的光楔光学系统的像差特性.通过ZEMAX光学设计软件像差分析功能中的垂轴像差曲线、场曲曲线和点列图加以比较,两者非常吻合,证明该理论可以对具有较大倾斜元件的非共轴光学系统设计起指导作用.     

一种基于共轭节面的图像畸变分析方法

无像差的光学相机的成像模型可由其共轭节面模型等效表示。针孔模型本身忽略了偏离该等效模型的误差,也无法表示平板玻璃的平移误差、光轴的安装误差以及实际相机光学系统的像差,这四个因素都会引起图像畸变。基于此利用共轭节面的性质建立了一种图像畸变几何模型,并与广泛采用的像差模型进行了对比,从理论上解释了像差模型各个系数的物理意义。对某实际针孔相机进行仿真分析,该几何模型给出的相对径向畸变、角度误差在设计参数的范围以内,并且可以模拟图像的非对称畸变。该几何模型需要辨识包含主面相关参数、光轴倾斜角和平板玻璃的轴向球差在内的4个参数,辨识参数较少,理论上可以作为一种新的图像畸变校正方法。     

Design of Plane-Symmetric Low <Emphasis Type="Italic">F</Emphasis>-number Reflective System Based on Perturbation Aberration Model

All-reflective optical systems have theoretically no chromatic aberration and are suitable for wide spectral application, but co-axial reflective systems are difficult to design as low F-number optical systems. In this paper, the aberration of plane-symmetric optical systems with low F-number is analyzed based on the wavefront derived from optical path length. Up to third-order aberrations are classified into three categories by their characteristics. The reduction method of the dominant aberration, astigmatism-like aberration, is proposed. In the method, the Gauss image plane is modeled by means of a simplified mirror surface with third-order approximation. Because the system is plane-symmetric, symmetric cross section and asymmetric cross section are modelled differently. The design example of a three-mirror system with F/2 is shown.