物镜像面相对照度计算方法

为了找到更加精确的广角物镜系统像面相对照度计算方法,分析了现行像面照度公式成立条件的局限性,提出了基于孔径光阑约束模式的矢量光线追迹计算光通量的方法。通过矢量分析和推导,给出了孔径光阑约束的轴外视场光束在第一光学面上形成的照射区的特征点坐标及照射区面积表达式;依据朗伯体辐射条件和规律,从物镜系统物方着手,建立了两种共轭条件的物镜像面照度分析模型;针对具有物方大视场角特征的相似成像物镜系统和非相似成像物镜系统,分别推导出了像面照度及相对照度表达式;指出了光学设计过程中提高像面相对照度的基本策略。     

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.     

面对称光学系统的初级波像差理论研究

非旋转轴对称光学系统波像差理论的建立有利于理解旋转 轴对称光学系统的装调误差和离轴三反射光学系统等非旋转轴对称光学系统的选型设计. 本文利用旋转轴对称球面光学系统的全口径初级波像差理论推导了子孔径面对称光学系统的初级波像差分布公式, 证明了面对称光学系统中的节点像差理论, 即除球差外的所有初级像差的零值节点偏离视场中心, 而不再是视场的旋转对称函数; 并首次阐述了多零值节点初级非对称像差产生的根源和变化特性. 该理论可以有效指导非对称光学系统初始结构的选择和优化设计过程. 关键词： 面对称 像差 几何光学     

大视场光学系统像面照度均匀性优化

为提高大视场光学系统像面照度的均匀性,从理论上分析了光学系统像面照度的影响因素,提出使用中心遮拦产生的轴外斜光束截面积与轴上光束截面积之比对像面照度进行优化的思路。以理想系统建立数学模型,得到了中心圆形遮拦影响下不同视场角光束截面积比值的变化规律,并分析了遮拦对调制传递函数(MTF)的影响。进一步提出采用Zemax与Matlab软件动态数据交换(DDE)进行像面照度自动计算优化的方法。以某焦距56mm,相对孔径=1/5.6,视场角2ω=80°的航测镜头为例进行了优化,通过在光学系统第5表面上增加半径为4.384mm的中心遮拦,像面照度的不均匀性由优化前的22.3%降低至3.5%,均匀性明显改善。在优化实例中讨论了MTF曲线的变化,指出采用中心遮拦后的传函指标仍满足CCD探测器成像使用要求。     

基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计

传统的离轴反射光学系统初始结构设计方法是先求取轴对称反射光学系统结构,然后通过光瞳离轴、视场离轴或二者结合的方法实现无遮拦设计.由于同轴光学系统像差分布规律不适用于离轴光学系统,因此离轴后的反射光学系统结构像差较大,而且系统无遮拦设计过程复杂.本文提出了一种基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计方法,可以直接获取光瞳离轴、视场离轴或二者结合的无遮拦离轴反射光学系统初始结构.该方法可以获得较好的离轴反射光学系统初始结构供光学设计软件进一步优化.针对面阵探测器,设计了一个长波红外离轴三反光学系统,通过光瞳离轴和视场离轴实现无遮拦设计,光学系统成像质量好,反射镜不存在倾斜和偏心,光学系统易于装调.     

大视场四象限探测光学系统设计

为了实现大视场激光探测跟踪,分析了大视场激光探测光学系统的研制特点。首先,根据四象限探测对光学系统光斑均匀性的要求,结合系统的指标参数,选定合理的光学结构型式,提出像差校正的设计方案。然后,基于ZEMAX软件完成大视场四象限探测光学系统设计,并利用点列图、光线足迹图、包围圆能量定性评价系统光斑质量;通过TRACEPRO光学分析软件,得到探测器靶面的光线照度分布。最后,依据设计结果完成光学系统的加工装配及性能测试。测试结果表明：激光探测系统线性视场为±6°,测角精度优于0.15°,并根据实测数据针对线性视场进行曲线拟合,与理论曲线相符,验证了设计结果的正确性。     

星载超广角气溶胶探测仪均匀像面性光学设计

为满足空间遥感的迫切需求,设计了星载低畸变超广角气溶胶探测仪系统.系统中多光谱成像仪的光谱范围为0.860~0.965 μm,全视场角为94°,相对孔径为1∶4,采用反远距结构,系统后工作距离为42 mm.根据反远距结构的像差特点,提出了合理选用易于加工的二次曲面校正畸变,并利用光阑像差产生的有效像差渐晕改善像面照度分布设计方法.运用光学设计软件CODE V和ZEMAX对气溶胶探测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.结果表明,最大畸变为-1.6%,像面上边缘视场的照度大于中心视场照度的46%,光学系统在奈奎斯特频率38.5 lp/mm处的光学传递函数均达到0.59以上,完全满足设计指标要求;体积小,适合空间遥感应用;同时证明了设计方法是可行的.     

基于个性化人眼模型的大视场波像差特性的研究

大视场波前像差对人眼光学系统的影响不容忽视。运用Zemax光学设计软件分别为8只正常人眼构建了个性化的人眼模型,该人眼模型由实际测量的人眼波前像差数据、角膜地形数据及眼内各部分轴向间距数据优化得来,与个体人眼具有相同的光学特性。在此基础上,分析了人眼颞侧方向0°,10°,20°,30°,40°,50°视场的离轴像差随视场角的变化趋势,得出边缘视觉比中央视觉质量差主要来源在于像散与彗差。四阶以上的高阶像差随着视场角的改变,变化不大。将个性化人眼模型计算得到的大视场波前像差值与用哈特曼夏克(Hartmann-Shack)波前传感器实际测量得到的人眼像差值相比较,两者结果相吻合。     

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。     

轻量化头戴显示器光学系统设计

虚拟现实头戴显示器(HMD)的光学系统应具有较大的视场角和出瞳,同时应具有重量轻和厚度薄的特性,从而适应人体的佩戴需要。为了同时满足这些要求,详细描述了一种基于初级像差理论的头戴显示器光学系统设计方法。根据这个方法,用两种聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC),设计了双片式的头盔系统,其出瞳直径为8 mm,视场角为70°。系统总长小于70 mm,镜头的总质量小于30 g。全视场相对照度大于0.4,其轴上像差和轴外像差都得到了有效校正,边缘视场点列图光斑半径在70μm左右,各个视场的调制传递函数(MTF)曲线分布较为均匀,同时中心视场和边缘视场的MTF值在8 cycle/mm处分别为0.6和0.4左右,最大畸变小于2%,实际加工的系统对标准分辨率板的成像像质能够满足使用要求。     

红外折/衍混合离轴望远系统设计

本文针对空间光学系统轻型特点,设计了一个二元光学折/衍混合红外反射式望远系统。采用了离轴式格里高利(Gregorian)结构形式,消除了望远系统中的中心遮拦问题。用衍射光学元件校正系统象差,使反射面为球面,二元光学表面尺寸比施密特(Schmidt)校正板(位于入瞳处)缩小于3～4倍,光学设计运用OSLO软件,光学系统的通光孔径φ=120mm,焦距f=-1000mm,波长λ=4.3μm,视场2ω=2°×6°(子午×弧矢),分辨率Res=0.05mm,MTF≥0.4(空间频率fre≤10cl/mm).     

近地层紫外通信离轴三反接收光学系统设计

针对紫外通信接收光学系统的特点和发展趋势,在共轴三反光学系统的基础上,提出了一种离轴三反紫外光学系统的设计方法,利用ZEMAX软件进行优化。设计出了一个焦距为998.192 mm、视场角不小于4、F数为4的离轴三反光学系统。在50 lp/mm空间频率处传函达到0.4以上,接近衍射极限,全视场弥散斑控制在5 m以内,同时克服了共轴三反存在的中心遮挡问题,提高了系统的像质。该系统设计满足相应技术要求,对紫外通信系统的成功研制具有重要作用和意义。     

光电成像检测系统像面照度均匀性分析

非均匀发光光源、大视场角等因素会造成光学成像检测系统像面照度分布不均匀,进而导致检测效率下降。研究非均匀发光光源和大视场角对像面照度均匀性的影响程度,首先建立光源间距与受光面接收照度间的关系模型,仿真分析不同LED间距对像面照度均匀性的影响,然后建立光学耦合系统的物面张角和像面照度间的关系模型,仿真分析物面张角对像面照度均匀性的影响。实验结果表明:在非均匀发光光源和大视场角的作用下,检测系统会造成像面照度严重不均匀现象。研究结果为后续像面照度校正算法设计提供了理论依据。     

Off-axial elliptical Hermite-cosh-Gaussian beams

A new kind of light beams named the off-axial elliptical Hermite-cosh-Gaussian beams (EHChGBs) is introduced in this paper by use of tensor method. An analytical propagation expression for an off-axial EHChGB passing through an axially nonsymmetrical optical ABCD system is derived by use of vector integration. The derived formula can be easily reduced to the propagation formulas of off-axial elliptical cosh-Gaussian beams and elliptical Hermite-cosh-Gaussian beams. Some numerical simulations are illustrated for the propagation properties of off-axial EHChGBs passing through a free space and a focusing optical system, and further extensions are suggested.     

Third-order aberration analysis of an off-axial optical system

The aberration theory applied to co-axial optical systems is extended to off-axial systems, for which third-order aberration coefficients are considered. The derived aberrations are analyzed using three-dimensional ray bundles, spot diagrams, and image charts, and classified in relation to the system symmetry. This theory is very useful for optical designers, allowing them to clarify the relationship between the structures of off-axial optical systems and the corresponding off-axial aberrations.     

Fractional Fourier transform of off-axial elliptical cosh-Gaussian beams

Cosh-Gaussian beams are of practical interest because they are more efficient at extracting energy from conventional laser amplifiers, and they have some important applications because their profiles can closely resemble the flat-top field distribution by choosing suitable beam parameters of cosh parts. The fractional Fourier transform (FRFT) is applied to treat the propagation of off-axial elliptical cosh-Gaussian beams (EChGBs). By the use of vector integration, the analytical expression for an off-axial EChGB passing through a FRFT system is derived in terms of tensor method. Our formula provides a convenient way for studying the FRFT of off-axial EChGBs; some numerical simulations are also given.     

灵巧型离轴三反光学系统设计

基于同轴三反射光学系统基本原理,将孔径光阑和视场适当偏心,设计了一个灵巧型多光谱离轴三反光学系统,系统焦距1 200 mm,并对设计结果进行了像质评价。实验结果表明:系统在可见波段（0.486 m ~0.656 m）80 lp/mm空间频率下MTF0.5,中波波段（3 m ~5 m）15 lp/mm空间频率下MTF0.35,全波段范围内最大RMS为2.096 m。系统中面型采用二次非球面,且整个系统仅有孔径光阑偏心,3个反射镜位置均无偏心和倾斜,降低了加工成本及装调难度。     

时空联合调制成像光谱仪前置成像系统分析与设计

为满足红外成像光谱仪大光通量、高稳定性的应用需求,提出了一种基于多级阶梯微反射镜的静态化、无狭缝式、新型红外时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪结构.对其工作原理和光程差的产生方式进行了分析.作为该成像光谱仪的重要部件,前置成像系统决定了光程差的分布,其性能直接影响到目标物体的图像质量.根据系统光程差的产生方式,分析和设计了像方远心光路结构的前置成像系统.利用被动光学消热差方法对前置成像系统进行了消热差研究.结果表明:当温度在-20—60?C的范围内时,各个视场的调制传递函数均达到衍射极限,在多级阶梯微反射镜的总阶梯高度范围内成像质量良好;在不同的温度下,各视场处主光线在像面上的最大入射角小于0.02?.     

星载均匀像面低畸变广角气溶胶探测仪的研制

为满足空间遥感的迫切需求,设计并研制了一个星载均匀像面低畸变广角气溶胶探测仪样机.该仪器通过利用光阑像差产生的有效像差渐晕提高像面照度的均匀性,解决了广角系统中像面照度不均匀的问题.合理选择结构型式校正了畸变,并且采用全球面光学系统,易于加工和检测.广角气溶胶探测仪的中心波长为670 nm,带宽20 nm,全视场72°,相对孔径1/3.6,焦距20 mm.实验结果表明:研制的星载广角气溶胶探测仪镜头其入瞳大小5.6 mm,边缘视场的相对照度达到95.6%,在36 lp/mm处,轴上视场的调制传递函数值大于0.61,轴外视场的调制传递函数值高于0.58,最大畸变量为-1.95%,完全满足设计指标要求,体积小,适合空间遥感应用.     

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5 m～4.8 m、长波7.8 m～9.8 m,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122/44.49双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内,在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。