基于主动光学技术的任意视场变分辨率空间望远镜

介绍了一种新型的空间望远镜,通过改变光学系统焦距,可以提高任意感兴趣视场的成像分辨率.光学系统有四个反射镜组成,包括两个静态非球面反射镜和两个面形动态可调非球面反射镜.通过改变两个可变形反射镜的面形,系统焦距可以在399 mm到558 mm范围内进行动态调整.和机械式变焦系统相比,此主动变焦系统避免了光学元件的精密移动...     

三反射主动变焦系统设计

空间光学系统在对深空探测、监视、威胁侦测和对地高分辨率侦查等应用中,不仅需要能同时获得高分辨率和宽视场范围的变焦系统,还需要体积小、重量轻、低能耗及快速调焦的系统,传统机械变焦系统因需要复杂精确的机械运动控制而存在诸多问题.因而,基于主动光学理论,将主动光学元件应用到成像系统中,提出了通过某个或某几个光学元件的曲率半径变化实现系统焦距变化的理论.根据初级像差理论和系统的外形尺寸,研究了系统主动变焦原理,确定了初级像差方程组的约束条件,求解共轴主动变焦系统的初始结构参数,借助ZEMAX软件进行优化设计,设计了一个由静止的主镜、曲率半径作为变量的次镜和三镜、无光焦度的平面镜组成的三反射主动变焦系统.由于该共轴三反射主动变焦系统存在两次遮光,会影响系统像面能量的接收,因此,指出对共轴系统进行无遮拦离轴优化设计的必要性,讨论了离轴系统设计理论,并设计了离轴三反射主动变焦系统.     

基于主动光学技术的任意视场变分辨率空间望远镜

介绍了一种新型的空间望远镜,通过改变光学系统焦距,可以提高任意感兴趣视场的成像分辨率。光学系统有四个反射镜组成,包括两个静态非球面反射镜和两个面形动态可调非球面反射镜.通过改变两个可变形反射镜的面形,系统焦距可以在399 mm到558 mm范围内进行动态调整.和机械式变焦系统相比,此主动变焦系统避免了光学元件的精密移动,有效减少反应时间。分析了此系统的成像质量,给出了0°、0.51°、0.7°不同视场的弥散斑:1.6 μm、1.0 μm、1.7 μm,及传递函数:在68 lp/mm 时,MTF曲线值大于0.7.此新型成像技术还可以有效减少数据传输链带宽需求,在遥感领域具有广阔的应用前景.     

Submicrometer tomographic resolution examined using a micro-fabricated test object

To estimate the spatial resolution of microtomographs, a test object on the submicrometer scale was prepared by focused ion beam milling and subjected to microtomographic analysis. Since human tissues are composed of cells and extracellular matrices with micrometer and submicrometer structures, it is important to investigate the three-dimensional spatial resolution of microtomographs used to visualize microstructures of human tissues. The resolutions along the direction within the tomographic slice plane (in-plane resolution) and perpendicular to it (through-plane resolution) were determined from the modulation transfer function of square-wave patterns. The in-plane resolution was estimated to be 1.2 μm from the modulation transfer function of the non-zoom image. In contrast, the zoom image gave the in-plane resolution of 0.8 μm. This in-plane resolution is comparable to the through-plane resolution, which was estimated to be 0.8 μm. Although the two-dimensional radiographs were taken with the pixel width of half the X-ray optics resolution, these three-dimensional resolution analyses indicated that the zoom reconstruction should be performed to achieve the in-plane resolution comparable to the X-ray optics resolution. The submicrometer three-dimensional analysis was applied in the structural study of human cerebral tissue stained with high-Z elements and the obtained tomograms revealed that the microtomographic analysis allows visualization of the subcellular structures of the cerebral tissue.     

红外仿真变焦光学系统设计

针对目前半实物仿真采用一弹一仿的问题,提出采用变焦距投影系统的五轴转台仿真方案,使得不同视场、不同焦距、不同型号的导引头可以采用同一套仿真系统进行仿真测试,提高了仿真系统的效费比。分析了红外半实物仿真用变焦光学系统的特点,设计了（8～12）μm波段衍射受限红外变焦光学系统,系统入瞳直径80mm,变倍比为3.0,弥散斑直径小于50μm。     

中波红外连续变焦系统设计

基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一套高变倍比中波红外连续变焦光学系统,用于机载光电探测和跟踪设备。该系统由变焦物镜系统、二次成像系统和两个反射镜构成。介绍了二次成像系统光瞳衔接的方法;通过光学软件给出了系统结构及其参数,并对系统的像质和那喀索斯效应进行了分析。测试结果表明,系统实现了11~200 mm的连续变焦,变倍比为18×,F数为3,工作波段为3~5μm,满足100%冷光阑效率,在空间频率16 lp/mm处的MTF值0.6;具有热灵敏度高、像质好、分辨率高等特点,满足了设计的要求。     

中波红外变焦距系统的光学设计

由于红外探测系统具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强，能在一定程度上识别伪装目标，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，在军事上被广泛应用于红外导航、红外侦察和红外制导等方面。近年来，随着红外光学技术的长足发展及其实际应用范围的不断扩展，对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。本文介绍了一种采用凝视型焦平面阵列探测器的中波红外变焦光学系统的设计，该系统利用了反射镜的折叠光路，其工作波长范围为3～5μm，变倍比为20∶1。最后用CODE V光学设计软件对其像质进行了评价。     

Superiority of zoom lens coupling in designing a novel X-ray image detector

We design a novel X-ray image detector by lens coupling a Gd2O2S:Tb intensifying screen with a high performance low-light-level (L3,which often means luminescence less than 10-3 Lux) image intensifier.Different coupling effects on imaging performance between zoom lens and fix-focus lens are analyzed theoretically.In experiment,for designing a detector of 15-inch visual field,the system coupled by zoom lens is of 12.25-1p/cm resolution,while the one with fix-focus lens is 10 lp/cm.The superiority of zoom lens is validated.It is concluded that zoom lens preserves the image information better than fix-focus lens and improves the imaging system's performance in this design,which is referential to the design of other optical imaging systems.     

ASAP模拟变焦系统中鬼像的研究

 非成像光束在光学系统内表面的多次折射反射容易在像面附近形成光晕或鬼像,变焦系统由于镜片多,机构复杂等往往难以进行全面的分析模拟。利用ASAP软件模拟每个透射面作为部分透射、部分反射的表面,对变焦光学系统非轴上光进行分析,模拟出变焦系统的光学元件表面和光机内壁,实行实际光线追迹,然后以像面为研究对象,进一步实施实际光线追迹,模拟出全部散射光在像面上的能量分布,找出鬼像形成的原因,并在此基础上通过改变二次反射所在面的曲率或改变所在面的折射率两种方法对变焦光学系统进行优化,减小鬼点数目,以提高系统的成像质量。     

6倍制冷型中红外连续变焦光学系统设计

提出了一种求解变焦方程的新方法,并针对中红外320×256元制冷型焦平面阵列探测器,设计了一个3.7～4.8 μm波段的透射式红外连续变焦距光学系统,其F数恒定为2,最小焦距值为22 mm,变倍比为6。系统由变焦物镜和二次成像系统构成,包括7片硅、锗透镜,并引入非球面以校正系统各种轴外像差,同时利用两个平面反射镜折叠光路以减小尺寸。在空间频率16 lp/mm处和全焦距范围内,系统各个视场的光学调制传递函数均大于0.55;在接收面为30 μm×30 μm的探测器敏感元内,能量集中度大于80%。因此该系统具有较好的成像质量。     

一种工作于长波红外波段的40×成像物镜设计

为了同时满足热成像领域高分辨率与大探测范围的应用需求,基于机械正组补偿变焦理论,以一款长焦物镜为原型并采用浮动光阑结构,设计了一款高分辨率、高倍率的长波红外成像系统.系统的F数为1.2,变倍比为40×,焦距变化范围为5.86 mm～234.76 mm,无热化温度范围为-40℃～60℃,适配像元尺寸为12μm的长波红外焦...     

高变倍比大相对口径长波红外变焦系统设计

针对传统红外连续变焦系统难以同时满足高变倍比和大相对口径的使用要求,通过采用复合变焦光学系统结构,增加传统红外连续变焦光学系统的变焦距范围和相对口径。基于长波红外320×240像元、25 μm×25 μm非制冷焦平面探测器,设计了一款高变倍比大相对口径长波红外变焦光学系统, 光学系统由一个连续变焦部分与两档变焦部分组成,通过引入衍射光学元件校正长焦端色差,工作波段为8 μm~12 μm,焦距变化范围为-9 mm~-272.25 mm,F数为1.4。该系统具有成像质量好、变倍比高、相对口径大、导程小和凸轮曲线平滑等优点。     

LED阵列光源的舞台灯变焦透镜系统

 针对国内大功率LED阵列光源舞台灯具在光束角度不可变和光能利用效率低等问题,提出利用透镜组变焦原理来设计阵列光源变焦透镜系统。基于透镜组变焦原理设计了单颗LED光源的变焦透镜组,高级光学系统分析模拟软件ASAP的计算结果显示：调焦范围为0~10 mm时,出光角度（1/10峰值角）的变化范围为18.5°~38.7°,光能利用效率在调焦距离为10 mm时达到78%以上。在此基础上,将单颗LED光源的变焦透镜组扩展为Red、Green、Blue各12颗共36颗LED的变焦透镜系统,进一步分析36颗LED阵列光源在不同排布方式下的出光角度及混色效果。ASAP计算结果显示：在调焦范围与单颗LED相同的情况下,LED阵列光源变焦透镜系统的出光角度（1/10峰值角）的变化范围为21°~38.6°,且3种颜色LED交叉排列的混色效果较好。由LED阵列的计算结果可知,与国内现有的大功率LED舞台灯具相比,在出光角度的变化范围和光能利用效率方面都得到了提高。     

差分吸收光谱FFT+FT频谱细化方法研究

利用差分吸收光谱法（DOAS）可以实现污染气体的在线监测。为了提高监测精度,通常利用傅里叶变换滤波法（FFT）处理差分吸收光谱数据,但是因其频率分辨率的限制,影响其幅值精度,导致气体浓度的测量误差较大。提出了一种将FFT和FT相结合的差分光谱数据处理方法（FFT+FT）,首先对差分吸收光谱数据做FFT变换,得到其全景谱,再对峰值点附近的频谱用改进的连续FT进行细化,提高特征吸收频段的分辨率,对幅值误差进行补偿,从而提高气体浓度在线监测的精度。实验配制了不同浓度的SO₂和NO₂气体,当细化倍数为15时,SO₂和NO₂气体的最大测量误差不超过3.68%和3.17%,相对于FFT法,平均误差分别降低了1.82%和1.45%;相对于传统的多项式拟合法,平均误差分别降低了14.9%和1.80%;对恒定浓度的SO₂和NO₂气体分别进行了多次测量,验证了FFT+FT方法的稳定性。分析了细化倍数对测量精度的影响,当细化倍数小于15时,浓度测量误差随着细化倍数的增加而降低;当细化倍数从15增加到20时,误差反而逐渐变大,在大于20以后,误差出现波动,且都大于细化倍数为15时的测量误差。由于细化倍数太大,使谱线过于密集,找到频谱序列最大值的概率降低了,因此在有噪声的情况下采用该法进行频谱校正时,会出现细化倍数加大而测量精度反而降低的现象。确定了最优细化倍数,在确保测量精度前提下,使频谱细化的计算量最小,满足DOAS法实时在线监测气体浓度的要求。     

连续变焦大气相干长度测量系统设计

望远镜在大气光学参数测量中起到至关重要的作用,测量方法是通过跟踪恒星或者信标实时测量数据。基于不同速度信标的移动特点,需要设计3 m~6 m变焦大气相干长度测量系统用于大气相干长度的测量,设计波段为可见光486 nm~656 nm,探测元全视场11 mm,入瞳直径300 mm。利用光学设计软件设计出一款折返式变焦望远系统,光学结构由卡式望远系统和三组元机械补偿式连续变焦系统组成,系统结构简单,成本低,凸轮曲线平滑,压力升角均小于45。系统可对变焦焦距数据实时输出,适合于快速和慢速不同场合下实时进行大气参数测量。     

Design of dual-band shared-aperture Co-zoom optical system

An optical system that features visible plus mid-infrared light, shared aperture, synchronous and continuous zoom is designed with a 10× zoom ratio. Analysis is performed to differentiate visible plus mid-infrared light focal length and zoom ratio during zooming, and the change law of this difference. Upon combination with two-group and three-group zoom theories and upon derivation of the conditions for compensating zoom ratio difference, a method has been obtained to directly compensate this difference. The focal length and the zoom ratio for visible/mid-infrared light at any zoom location are similar with this method, thereby conducting synchronous observation, tracking, and measurement on the target. Design results have shown that the system is small, has a fast response, has an excellent in overall image quality, and is athermal for temperatures between −40 °C and 60 °C.     

2 × Zoom Ratio Telecentric Projector Lens Design for 1080 P High Definition Television with Minimum 8000 K Color Temperature

In today's digital age, digital projectors and their application are gaining in significance, especially in the home theater area where the projected area is more than hundred inches. More attention has to be paid to the design of these than of ordinary data projectors due to the enhancement of both definition and contrast for home theater projectors. This complicates the optical design of the projector, especially in 1080 P flat plane panel resolution requirements with strong offset of 130%, whose semi-image height (18.6 mm) is very close to that of 35 mm film (20 to 21 mm). In this paper the lens design samples focus on the application of a projector with a 1080 P digital micromirror device (DMD) system with 10.68 μm per pitch. Such lenses have the telecentric design on the image side because of the total internal reflection (TIR) prism. The complicated design is the reason for this: firstly, there must be a very long back focal length due to the huge TIR prism and zoom mechanical system; secondly, there is an extremely relative luminance requirement (70% minimum) at semi-image height (18.6 mm); thirdly, there are difficulties in the elimination of lateral aberration due to the limited choice of glass and, fourthly, there is a 2 × zoom ratio with modulation transfer function requirement of 40% at 501p/mm at a semi-image height of 18.6 mm minimum and, most important, limited total overall length. The lens design with 2 × zoom ratio for 1080 P resolution was presented with great success; the optimal calculation of lateral chromatic aberration via genetic algorithm (GA) was introduced in this research and then a local minimum of lateral color aberration was identified.     

紧凑型大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

针对致冷型中波红外640×512凝视型焦平面探测器，设计了一个30×连续变焦光学系统。介绍了由无后固定组的变焦物镜组和中继透镜组组成的连续变焦系统的设计思路，不仅给出了系统在短焦、中焦、长焦3个位置的像质情况，还分析了反映全焦距范围内像质的离焦量和畸变。实验结果表明:该系统工作波段3.7 μm~4.8 μm，可以实现18 mm~540 mm连续变焦，全焦距范围内的离焦量都在焦深以内，长焦段最大畸变接近于0，短焦段最大畸变小于3%。该系统具有大变倍比、结构紧凑、变焦轨迹平滑、变焦行程短等优点，可用于红外光电探测和跟踪系统。     

变焦距投影光学系统中的远心光路设计

介绍了含有棱镜系统的数字光处理器（DLP）投影仪连续变焦距远心镜头的设计。通过对DLP投影镜头与数字微反射镜器件之间的全反射棱镜系统进行分析，发现采用像方远心光路设计方法，可使投影系统产生的杂光大大减少。进一步研究变焦距系统远心光路的结构特征，得出了使系统在整个变焦过程中都处于远心位置的光阑轴向位移方程。借助给光阑固联一个透镜（与补偿组共同补偿变倍组）所产生的像面移动，得到了变焦曲线平缓、光焦度分配均匀且成像质量较好的投影镜头。     

三组元变焦目镜光学设计

 基于车载观瞄模拟系统的使用要求,根据高斯光学设计理论,运用Zemax光学设计软件设计了一种三组元变焦目镜。为了获得较好的像质及长出瞳距,目镜结构采用三组元结构。同时,为了使目镜在连续变焦时入瞳位置保持不变,将出瞳位置设为变量进行优化。最终设计结果为：焦距f=13.35 mm～24.11 mm,出瞳距离L=20.1 mm～27.5 mm,出瞳直径D约为8 mm,像面变化范围y′=4.6 mm～13.6 mm,变焦目镜变倍比约为1.83倍。在50 lp/mm时,4个组态MTF均大于0.3,且各组态点列图均小于艾利斑半径,高于人眼分辨极限,满足使用要求。最后利用Matlab软件编写程序进行曲线拟合,给出了三组元之间的3个间距和所对应系统焦距的变化曲线,拟合精度达0.01 mm。