子孔径合成光学成像系统像质评价研究

由于子孔径合成光学成像系统出瞳波前离散,成像特征有异于常规光学系统.对比了两种子孔径合成光学成像系统的像质评价方法,其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参量,拟合成泽尼克多项式,通过快速傅里叶变换获得光学系统的调制传递函数;其二是对子出瞳波面在像面复振幅分布的衍射直接积分叠加计算系统调制传递函数.对于离散出瞳波前,拟合的泽尼克多项式不可避免有较大误差,由此计算获得的调制传递函数与实际测量值有较大区别.设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统,在此基础上用ZYGO GPI干涉仪验证并对比了使用两种方法对像质计算的特点.结果表明,子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高,但计算量大,且要获得更高的像质评价精度,应使用更适于表达离散不规则形状子出瞳波前的波函数.     

一种新型稀疏孔径结构的研究

提出了一种由九个孔径组成的稀疏孔径结构。给出了该孔径结构的光瞳函数,并分析了其孔径结构的特点。具体对不同填充因子时的新结构进行了仿真,得出了新型稀疏孔径结构的调制传递函数的分布特点,以及系统的等效直径和调制传递函数的变化情况。对新型稀疏孔径结构与三臂结构进行了比较和分析,新结构的传递函数分布比较均匀,对频域有较大的覆盖面积,系统的等效直径较大。新结构在等效直径和调制传递函数的均匀性方面优于所比较的三臂稀疏孔径结构,新结构在成像性能方面具有一定的优势。     

基于固定校正元件的椭球形窗口光学系统设计

提出了一种基于非球面固定校正元件的椭球形窗口光学系统设计方法。结合广义科丁顿公式及几何光学原理,推导出非球面校正元件的像散表达式,在此基础上,以消像散和正弦条件作为非球面校正元件像差评价参数,采用最小二乘法拟合出满足消像散及彗差的非球面面形方程。并建立以泽尼克(Zernike)多项式特殊优化函数取代传统的光学系统评价函数,克服了采用传统光学设计方法设计椭球形窗口光学系统时系统评价函数收敛缓慢的问题。成像光学系统设计时通过比对不同材料匹配实现了光学系统的无热化。给出了完整的椭球形窗口光学系统的设计,设计结果表明,系统的调制传递函数在整个扫描视场范围内接近衍射极限。     

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。     

稀疏孔径双圆周阵列的成像性能研究

针对传统稀疏孔径均匀圆周阵列的调制传递甬数在截止频率区域内易出现零值而影响成像质量的问题,提出一种由两个均匀圆周阵列嵌套构成的无冗余的双圆周稀疏孔径结构.给出该阵列的光瞳函数以及调制传递函数的解析表达式.以5-3结构的双圆周阵列为例,以实际空间截止频率为像质评价准则,从子孔径直径、内环圆周半径以及内环旋转角度等几个方面详细分析了双圆周阵列的成像特性,给出不同情况下的实际截止频率值,并对双圆周阵列稀疏孔径系统进行模拟成像和图像复原.将该结构与均匀圆周阵列.Comwell优化圆周阵列进行比较.结果表明,相同条件下,该阵列具有更大的实际空间截止频率,并且成像质量随着填充因子的减小而逐渐下降.     

自由曲面空间光学系统设计研究

对自由曲面的发展及应用做简要梳理,介绍国外自由曲面空间光学系统的研究现状,讨论3种自由曲面数理模型的特点和像差平衡能力,阐述自由曲面光学系统相对轴对称系统和平面对称系统的像差特点以及自由曲面空间光学系统的像差控制与评价方法,给出采用泽尼克多项式表述的自由曲面多光谱相机的设计结果,成像视场76,为远心光路设计,全视场调制传递函数（MTF）优于0.56,适用于空间多光谱成像。     

复合三子镜稀疏孔径光瞳结构的研究

由于在截止频率区域内稀疏孔径系统的调制传递函数(MTF)比全孔径系统的调制传递函数下降,甚至调制传递函数可能出现零点而影响成像质量,通过稀疏孔径系统的结构优化可以获得调制传递函数分布比较理想的孔径结构。给出了基于实际空间截止频率ρR和子孔径直径的稀疏孔径结构优化准则,对复合三子镜稀疏孔径结构进行优化,分析了优化前后的调制传递函数变化,并对优化结构的复合三子镜稀疏孔径系统模拟成像和维纳滤波,比较优化前和优化后稀疏孔径结构的成像情况。结果表明结构优化是稀疏孔径光学系统设计的一个关键部分,应用的优化准则对稀疏孔径结构优化是合理的,通过结构优化可以使复合三子镜稀疏孔径系统的成像质量得到改善。     

两种对称型稀疏孔径系统的成像研究

提出了复合三子镜稀疏孔径结构,它由九个子镜组成,每三个子镜组成一个次级光瞳,三个次级光瞳组成一个主光瞳,其结构是对称的冗余结构.研究了三臂和复合三子镜两种对称型结构稀疏孔径系统,比较复合三子镜和三臂结构的特点与调制传递函数,对不同填充因子的两种结构的稀疏孔径模拟成像和维纳滤波,并进行像质评价,同时和非冗余的Golay6结构进行比较.结果表明：复合三子镜稀疏孔径系统在结构分布、成像质量等方面优于三臂对称结构稀疏孔径系统,对称型稀疏孔径系统在结构排列上具有对称易装调的优点.     

基于小波阈值法和维纳滤波的稀疏孔径光学系统成像的恢复

在研究稀疏孔径理想衍射成像光学系统的基础上，提出基于改进小波阈值法和维纳滤波的稀疏孔径光学系统成像恢复算法。针对存在噪声干扰的稀疏孔径光学成像系统，设计并利用改进的小波阈值去噪算法，较好地去除了成像噪声，最大程度地得到较为理想的成像结果，然后利用维纳滤波方法实现成像恢复。在实验中，利用光学设计软件ZEMAX设计了不同填充因子的稀疏孔径光学系统，并用本算法进行了成像恢复。实验结果表明，该算法的结果优于单独使用维纳滤波方法所获得的结果。     

光学稀疏孔径系统的成像及其评价方法

对典型阵列结构的光学稀疏孔径系统成像特性进行了数值仿真分析,并采用基于光学实验测量的调制传递函数（MTF）完成了光学稀疏孔径系统成像实验的图像复原处理.针对复杂目标成像,为了评价光学稀疏孔径系统最终成像的整体质量,不仅考虑系统的调制传递函数指标,还提出了一种基于相关系数的成像质量客观评价方法.数值仿真结果和光学实验结果均表明,基于相关系数的成像质量客观评价方法是可行的,实验说明光学稀疏孔径系统成像质量可以达到其等效单个大孔径成像系统的成像效果.     

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。     

自由曲面校正光学系统像差的研究EI北大核心CSCD

利用条纹泽尼克多项式来表征自由曲面的光学元件,并将多项式中表示初级球差、彗差、像散项转换为矢量形式.利用矢量波像差理论,研究了自由曲面光学元件校正光学系统初级像差的特性.通过分析可知,自由曲面在光学系统中不同位置时所校正的像差特性不同.当自由曲面位于光学系统的孔径光阑(入瞳或出瞳)上可以校正光学系统全视场内为常数的初级像差;当自由曲面远离孔径光阑时,由于轴外视场成像光束口径的缩放与偏移,自由曲面可以校正非对称初级像差,且不同初级像差与视场依据关系不同.     

自由曲面校正光学系统像差的研究

利用条纹泽尼克多项式来表征自由曲面的光学元件,并将多项式中表示初级球差、彗差、像散项转换为矢量形式.利用矢量波像差理论,研究了自由曲面光学元件校正光学系统初级像差的特性.通过分析可知,自由曲面在光学系统中不同位置时所校正的像差特性不同.当自由曲面位于光学系统的孔径光阑(入瞳或出瞳)上可以校正光学系统全视场内为常数的初级像差;当自由曲面远离孔径光阑时,由于轴外视场成像光束口径的缩放与偏移,自由曲面可以校正非对称初级像差,且不同初级像差与视场依据关系不同.     

泽尼克多项式曲面投影显示系统

采用调制传递函数和波前像差分析方法,设计了基于三片泽尼克多项式曲面反射镜的反射投影成像系统.其中第一片反射镜表面为凹面,用于减小第二片反射镜的尺寸和获得高对比度,而另外两片反射镜表面为凸面,用于校正主要的像差和获得更短的投影距离.利用ZEMAX软件分析了所设计的基于泽尼克多项式曲面反射镜成像系统的光学性能.结果表明,设...     

稀稀疏孔径等边六孔径结构研究

对光学稀疏孔径子孔径空间分布结构与系统成像特性的基本关系进行了讨论.提出了一种新的子孔径分布结构——等边六孔径结构并给出了该结构的具体分布形式和光瞳函数.对等边六孔径结构的成像特性进行分析,把它与MMT型和Golay6型六孔径结构的调制传递函数进行了仿真实验和比较.     

利用泽尼克位相型光瞳滤波器实现景深延拓及超分辨

为了对显微光学系统实现景深延拓和超分辨,设计了一种基于泽尼克多项式的位相型光瞳滤波器,并分析了其对光学系统在焦点附近光强分布的改善。结果表明,与传统显微光学系统相比,加入泽尼克位相型光瞳滤波器后,系统景深延拓了4.15倍,分辨率提升了1.3倍。同时,与其他两种形式的光瞳滤波器进行了比较,进一步说明了泽尼克位相型光瞳滤波器的优势。设计的泽尼克位相型光瞳滤波器在疵病的显微检测中具有一定的实际意义和应用价值。     

基于填充因子的微透镜阵列扫描光学系统性能分析

针对通过微透镜阵列通光孔径的光束在不同条件下的填充问题,利用填充因子来表征微透镜阵列系统光瞳位置处光束的填充率,并分析其对系统探测距离、点扩散函数和光学传递函数的影响。基于近轴光学模型,构建了快速计算微透镜阵列扫描光学系统填充因子的数学模型,并提出一种系统设计方法。利用该方法设计了微透镜阵列扫描光学系统,所设计系统的实验结果与理论计算结果吻合,表明该系统的性能良好。     

新型航空镜间快门对光学传递函数的影响分析

光学传递函数是评价光学系统成像质量的重要指标。基于为数字航空摄影相机设计的一种新型航空镜间快门的工作特性,镜间快门在控制曝光过程中改变了相机光学系统的光瞳形状,意味着点扩展函数的改变,从而改变了光学系统的传递函数。将光学系统视为一个空间频率的滤波器,以傅里叶积分变换和光的标量衍射理论为基础,将孔径光阑的变化过程与光瞳函数建立关系,应用二次傅里叶变换法得到光学传递函数,分析快门在工作周期内对光学传递函数的影响。通过对计算结果与测量结果的对比分析可知,传递函数的最大绝对误差为0.196,最大相对误差为-0.274,有较好的准确度和重复性,并且缩小镜间快门开始和关闭阶段所用时间占整个曝光时间的比例,可以提高系统的综合传递函数,为中心快门的优化设计提供理论依据。     

辐射状多子镜阵列结构的成像特性

根据液体透镜稀疏孔径成像的特点,提出一种辐射状多子镜阵列结构;给出稀疏孔径成像的简化模型,通过多子镜结构的光瞳函数,得出调制传递函数的解析表达式;给出此多子镜阵列结构的具体分布形式,采用无量纲方法对结构参数进行约化;讨论2种辐射状多子镜阵列的结构情况,计算填充因子、冗余度、调制传递函数和其他特性参数;讨论参数扫描所表现的物理现象,并对比这2种阵列的结构特征和成像特性;对辐射状多子镜阵列结构和复合环形结构的特性指标进行比较。结果表明:在2种结构的平均调制传递函数以及调制传递函数中频特性值相接近的情况下,选择具有更大实际等效口径和实际截止频率以及更低冗余度的Ⅱ型结构;Ⅱ型结构在成像方面具有一定优势;由于基于液体透镜的多子镜阵列结构采用无量纲约化参数,因此结论普适于任意的包围圆尺寸;与复合环形结构相比,当填充因子相同时,辐射状多子镜结构有更大的实际截止频率和实际等效口径。     

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.