可见光折/衍射混合光学系统消热差设计

由于一些可见光折衍射混合光学系统结构复杂,光学材料种类繁多且光热性能差异大,不能像红外系统那样通过解消色差、消热差方程组得到初始结构。通过分析衍射光学元件的温度特性,采取使用衍射光学元件先消色差再消热差的方法,完成了可见光波段遥感物镜的消热差设计。系统在20℃～100℃范围内成像质量均保持良好,调制传递函数下降范围在6％之内。设计结果表明利用衍射光学元件的混合光学设计使系统结构简单化,并在要求的温度范围内性能稳定。     

环形孔径长焦距光学系统

介绍一种可望用于空间相机的环型孔径长焦距光学成像系统,也是稀疏孔径的一种。光线通过最外面的环形孔径进入光学系统,经过一系列的同轴环形反射镜多次折转,最后通过补偿镜成像在光学系统的像面上。此类系统具有较大的遮拦比,可以在有效减少空间望远系统的厚度和体积的同时保持较好的成像质量,可望用于微小卫星高分辨率光学有效载荷。给出了光线经过6次反射的一种长焦距光学系统设计结果,并对其进行了像质评价和公差分析。     

新型衍射光学成像光谱仪的设计和分析

为了克服在传统衍射光学成像光谱仪中,衍射透镜的焦距随波长变化引起系统放大率随波长变化,从而导致光谱图像的像元配准误差,得到并不精确的相对光谱信号强度,提出了将衍射透镜与消色差透镜系统相结合的新型折/衍混合、二组元复合远心成像光学系统的技术方案,具体分析推导了该系统的成像理论.在此理论指导下,利用光学设计软件Zemax设计了一套可见近红外成像光谱仪光学系统.结果表明,不但系统的放大率不随波长变化,而且进一步降低了衍射透镜的加工难度,改进了衍射光学成像光谱仪的光学性能,为新型衍射光学成像光谱仪的研制提供了重要的理论依据和设计指导.     

分孔径中波红外多光谱成像光学系统的设计

为了同时获得目标的红外图像信息和光谱信息,设计了一种分孔径中波红外分波段成像光学系统。该系统可将位于成像器前方不同波段的目标红外场景通过分孔径方式成像到红外制冷型探测器的4个区域上。该系统通过内部分孔径的办法,在不同通道内放置滤光片的方式,实现在一个探测器上对3.5 μm~4.1 μm、4.4 μm~5 μm、3.5 μm~5 μm、4.4 μm不同波段的目标同时成像。该系统F数为1.93,单通道的焦距为60 mm,MTF接近衍射极限,同时实现了在-40℃~+60℃的无热化需求,可以满足应用和指标需求。     

编码孔径成像光谱仪光学系统设计

本文设计了一种以双Amici棱镜为分光元件的成像光谱系统,该系统主要包括前置望远物镜、编码板、双Amici棱镜、准直镜和成像镜.此类光学系统可以获得很高的衍射效率,相比于狭缝结构的成像光谱系统,该光谱仪为两维空间扩展的视场,无疑增加了设计难度.后期的数据反演算法对一次像面编码板的成像效果过于依赖,基于此,对光学系统的像差校正提出了更高的要求.本文设计、分析了基于双Amici棱镜的成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统.前置望远物镜的设计为像方远心,MTF在39线对处,达到0.8,成像质量良好.创新性的将前置望远物镜倒置用做准直系统.全系统各个波长在39线对处的MTF值均在0.65以上.对室外目标景物进行推扫成像,从获得的成像数据判断,本文设计的编码孔径成像光谱仪原理可行,衍射效率高,全视场成像质量良好,全谱段光谱数据可信.     

红外双波段双层谐衍射光学系统设计

将谐衍射透镜应用在传统红外单波段佩茨瓦尔(Petzval)物镜上,设计得到工作波段处于3.4~4.2μm和8~11μm的红外双波段单层谐衍射光学系统。但单层谐衍射元件的衍射效率只在设计波长处衍射效率最高,随着波长相对设计中心波长向两侧偏离,主衍射级次的衍射效率逐渐下降。为提高含单层谐衍射元件光学系统的衍射效率,基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化,给出了优化方法。设计出佩茨瓦尔型红外双波段双层谐衍射光学系统,其在3.4~4.2μm和8~11μm两个工作波段的衍射效率均达到90%以上,相比含有单层谐衍射面的光学系统衍射效率有了很大提升,提高了像面衬比度,完善了系统成像质量。     

衍射光学元件在红外成像系统中的应用

利用衍射光学元件除了能减小成像系统的体积和重量外,还具有许多传统光学元件无法比拟的优越性,如消色差和热补偿功能等,本文以实例阐述衍射光学元件在红外成像系统中的应用。     

高衍射效率衍射望远镜系统的设计/加工及成像性能测试

为提高衍射效率,设计并制作了口径为300mm的衍射成像系统.该系统的物镜是由一块四台阶位相型菲涅尔波带片通过激光直写套刻和Ar离子束物理刻蚀技术在石英玻璃基板上加工而成.测试了衍射物镜的衍射效率,实验结果表明:衍射物镜在波长632.8nm处的衍射效率为66.4%,达到理论值的82%.搭建了衍射成像系统光路,分别采用10μm星点孔与分辨率板,测试了系统的成像性能.实验测得星点像直径为44μm,分辨率板的极限分辨率达到84lp/mm,接近该系统的理论计算值,表明该衍射成像系统具有较好的成像性能.     

衍射光学元件衍射效率影响混合光学系统性能的一种分析方法

本文从衍射光学元件的衍射效率入手,详细地分析了衍射光学元件衍射效率同混合光学系统光学传递函数的关系,并通过一个实际例子对所分析的结果进行了深入讨论.     

含多层衍射光学元件的折/衍射混合头盔目镜

基于对多层衍射元件的衍射效率的理论分析,设计了用于头盔显示器的含有多层衍射元件的60视场折/衍射混合目镜系统。系统在设计波段和整个视场范围内衍射效率均在90 %以上,提高了光能利用率和像面对比度。目镜的出瞳距离为22 mm,出瞳直径为8 mm。调制传递函数（MTF）在25 lp/mm时全视场均在0.38以上,满足VGA分辨率要求。目镜中畸变为4.8%,垂轴色差最大为10 m。整个系统结构紧凑,镜头总长26.8 mm,最大直径16 mm,全系统质量仅8 g,实现了光学系统的轻小型化     

分孔径红外偏振成像仪光学系统设计

为了在复杂及伪装的红外背景中识别出小温差目标,本文提出了一种基于分孔径的偏振成像系统结构,并对分孔径偏振成像系统所采用的分孔径成像系统及中继成像系统进行了设计研究。首先,根据Stokes矢量介绍了系统的工作理论和光学结构;其次,在现有探测器的结构参数要求下,计算出了光学系统的偏心量等参数,选择硅、锗作为透镜材料。在此基础上,确定了分孔径成像系统结构和中继成像系统结构。接着使用离轴偏心多重结构设计方法对初始结构进行了优化,研究了将普通红外物镜转变为具有实入瞳的像方远心结构的方法;最后,完成了分孔径成像系统和中继成像系统的整体系统匹配。设计结果表明,整体系统的调制传递函数在探测器奈奎斯特频率为17 lp/mm处大于0.6,能够满足系统的设计要求。本文设计的结构可以对探测目标实现实时偏振成像,且具有结构紧凑的优点。     

制冷型折衍混合双波段红外光学系统无热化设计

基于衍射元件的特殊成像性质,使用双层衍射元件进行双波段红外光学系统设计已成为研究热点。使用双层衍射元件能够有效提升宽波段的衍射效率,在简化系统结构的基础上提高像质。将红外成像系统设计为制冷型结构,能够消除背景噪声干扰,保证100%的冷光阑效率。基于带宽积分平均衍射效率最大化方法,设计了一款含有双层衍射元件的制冷型双波段红外光学成像系统,实现了在双波段红外和宽温度范围下的无热化设计。光学系统含有三片透镜,仅由两种材料组成,入瞳直径为80 mm,焦距为100 mm,F数为1.25,有效视场为6°,工作波段为3.7～4.8μm和8.0～12.0μm,工作环境温度为-40～60℃。分析结果表明,在整个温度范围内,在17 lp/mm截止频率处,双波段红外光学系统所有视场的调制传递函数分别高于0.78和0.59,同时双层衍射元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率分别为99.35%和98.73%,综合带宽积分平均衍射效率为99.04%。此光学系统的结构设计简单,成像质量好,在军事和商业应用中具有一定优势。     

采用衍射元件实现消热差的混合红外光学系统

叙述了利用衍射光学元件的环境温度特性实现光学系统像面环境温度补偿的原理和设计方法,提出了按照最佳像面确定最佳修正因数的补偿方法,使系统的性能在要求的温度范围内得到最佳补偿,给出了在20℃-50℃范围实现像面环境温度补偿和8μm-12μm波段内消色差的系统设计参数和评价结果,所设计的系统结构简单,在要求的温度范围内性能稳定。     

Bessel光束经椭圆环形孔径后的衍射光场

基于菲涅耳衍射积分理论及硬边孔径的复高斯函数展开法导出了Bessel光束经椭圆环形孔径后的光场表达式, 数值模拟了其光场的强度分布. 研究了Bessel光束经椭圆环形孔径后的光场变化及其传播过程; 在实验上利用轴棱锥输出的近似无衍射Bessel光, 通过椭圆环形孔径, 使用电荷耦合器件拍摄得到不同传播距离处的光强分布. 理论结果和实验结果均表明无衍射光束经椭圆环形孔径后会产生空心光束.     

二元环形孔径全空间轴线上的衍射光强分布

运用Rayleigh-Sommerfeld衍射积分,详细推导了二元环形孔径全空间在轴光强分布公式.由于未作明显的近似,所得公式对衍射距离大于数倍入射波长的衍射空间都是有效的.计算并分析了这种孔径轴线上的光强分布情况.结果显示,它的最大调制深度是入射光强的16倍,比圆形孔径或环形孔径大4倍,近场的光学层析能力比远场的强.在很近场区,二元环形孔径的在轴光强分布对孔径结构比较敏感,这些特性使这种孔径在光子学和光纤光学的应用方面具有潜在的价值.     

折/衍射混合红外目标搜索/跟踪光学系统设计

根据坦克目标搜索/跟踪系统的要求,设计了工作于8~12μm波段折/衍射混合红外连续变焦距光学系统。该系统解决了传统系统不能同时满足长焦距、大相对孔径、高变倍比、高成像质量和系统结构简单的缺陷,使设计的系统相对孔径大,F数为0.9,变焦倍率为11×,系统在长焦距时,可识别1500 m远的坦克目标。变焦系统仅用7片锗透镜,通过引入二元面和非球面校正系统色差和轴外像差,在空间频率为17 lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数(MTF)值均在0.64以上,接近衍射极限;系统在接收半径为17.5μm的探测器敏感元内,能量集中度大于82%,表明系统具有良好的成像质量,满足坦克目标搜索识别系统的总体要求。     

折衍混合光学系统超宽温消热差设计

利用折衍混合结构设计了超宽温范围内的光学被动式消热差Petzval物镜,系统工作波段为3.2～4.5 m,视场角为8.42,焦距为95 mm,后工作距为60.5 mm。使用锗和硅两种材料,引入了2个非球面和1个衍射面, 实现了消热差和结构简单轻量化,该系统在－80～200 ℃范围内, 调制传递函数(MTF) 优于0.7,接近衍射极限, 成像质量良好,该系统适用于像元尺寸为35 m、像元数320240的非制冷红外焦平面阵列探测器。     

折衍混合光学系统超宽温消热差设计

利用折衍混合结构设计了超宽温范围内的光学被动式消热差Petzval物镜,系统工作波段为3.2～4.5 m,视场角为8.42,焦距为95 mm,后工作距为60.5 mm。使用锗和硅两种材料,引入了2个非球面和1个衍射面, 实现了消热差和结构简单轻量化,该系统在－80～200 ℃范围内, 调制传递函数(MTF) 优于0.7,接近衍射极限, 成像质量良好,该系统适用于像元尺寸为35 m、像元数320240的非制冷红外焦平面阵列探测器。     

红外反射／衍射离轴混合光学系统设计

在分析了红外光学系统的设计要求的基础上，研究采用衍射光学元件，实现红外反射／衍射离轴混合光学系统的设计方法，具体设计结果表明，这样的光学系统结构简单，具有优良的综合光学性能。     

含有双层衍射光学元件的中波/长波消热差光学系统的设计

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在(3.7~4.8) μm和(7.7~9.5) μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为200 mm,F#为2。采用像元数为320×256、间距为30 μm的制冷型探测器。该系统在空间频率17 lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.66和0.54;最大RMS半径小于11.702 μm;波前像差小于0.191 7λ;最大离焦量小于焦深;在-55℃~71℃范围内实现了无热化设计。入射到衍射面上的角度为0°~5.19°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为99.81%和97.36%。含有双层衍射光学元件的红外双波段光学系统结构简单,像质优良,可以广泛应用于军事探测系统中。