透镜转像式军用瞄准镜物镜设计

为了满足瞄准镜体积小、重量轻的要求,需要物镜采用摄远型结构。分析了摄远型透镜转像式物镜的光学特性与像差特点,提出了摄远型镜组、正场镜和对称式转像镜组构成的结构型式。依据系统的成像特性,推导了光焦度分配和外形尺寸计算公式。采用光学设计软件Zemax设计了摄远型透镜转像式物镜,系统焦距为-100 mm,入瞳直径为25 mm,视场角为8,系统总长仅为99.92 mm。设计结果表明,采用该方法设计的瞄准镜物镜在40 lp/mm处各个视场的调制传递函数均在0.2以上,满足目视光学仪器的使用要求。     

微型光纤传像束内窥镜的物镜设计

根据微型纤维软镜小尺寸、大视场的要求, 分析其设计准则, 采用"负-正"型反远距物镜作为初始结构, 确定其为像方远心光学系统。通过理论计算和Zemax光学仿真软件的不断优化, 最终设计出了一个工作波段在0.48 μm~0.65 μm, 焦距为0.37 mm, 全视场90°, 相对孔径为1:4的微型光纤传像束内窥镜物镜。该物镜由4片透镜组成, 包括1片负透镜、1片正透镜和1片双胶合透镜。设计结果表明:镜头总长3.89 mm, 最大横截面直径0.95 mm, 满足像方远心光学系统的初始设计要求, 在奈奎斯特空间频率77 lp/mm处的调制传递函数(MTF)近似为0.7, 接近衍射极限, 并且具有小尺寸、大视场、像质优良、结构合理、像面光照强度均匀等特点, 符合微型纤维式内窥镜的使用条件。     

稳像光学系统设计

重点沦述光学稳像的光学原理,并引用具体的平面反射镜作为光学补偿元件(也就是光稳元件)的稳像方式加以阐述,由此导出倒像系统和正像系统达到相对稳像和绝对隐像时补偿角与扰动角之间的关系式。论述采用会聚光路稳像时由棱镜的微量转动而达到绝对稳像时棱镜转动中心的求法。论述光稳元件兼作转像棱镜时光稳元件的有效孔径与转功中心和棱镜位置的关系。     

光纤传像束的物镜设计

分析3种像方远心系统的结构和用途。在传像光纤物镜的设计过程中,分别采用传统单组像方远心系统和“负-正”型式的像方远心光学系统结构,通过比较发现“负-正”型式的像方远心系统的结构能很好地解决镜头轴外像差校正和像面照度均匀性的问题,并且镜头结构紧凑。使用ZEMAX光学软件进行优化,给出工作波长(0.38～0.78)μm,焦距1.92mm,视场角60°,相对孔径为1∶4的镜头设计实例。设计结果表明:此镜头在46lp/mm处的MTF大于0.8,像质优良。     

光刻物镜热像差主动补偿系统设计与实验

光刻物镜硅片刻蚀过程中的Z5像散会使光刻物镜波像差产生严重的劣化。为了对像散进行实时补偿,提出一种Z5像散主动补偿系统。该系统由实时数据平台、驱动力系统、柔性支撑结构和光学透镜构成。采用球面干涉仪作为光学透镜表面面形的检测设备,利用最小二乘法及线性叠加原理确定驱动参数与面形关系。实验进行了主动补偿系统的驱动器响应函数测试、补偿行程测试、补偿精度测试、补偿分辨率测试。结果表明,系统Z5像散补偿行程达到735nm,Z5像散补偿精度小于2nm,引入的高阶像差小于1nm,像散补偿分辨率为2nm,该系统能够有效补偿光刻物镜系统波前像差,使光刻物镜满足像质要求。     

光刻物镜中主动透镜的变形和像差特性

高精度光刻投影物镜在工作过程中吸收激光能量产生热像差,在离轴照明模式(如偶极照明)下,热像散显著且随时间变化,传统的被动光学方法无法补偿此类像差。提出在折射式光刻投影物镜系统中使用主动光学的方法,通过力促动器作用在透镜上使镜片变形以补偿初阶热像散。采用有限元分析方法,分析了简化的折射平板在促动力作用下的变形特点和像差特性;用几何光学理论近似论证了该补偿方案的可行性,并且分析了促动器分布、促动力大小、促动器与平板接触区域尺寸以及支撑结构对平板变形的影响。结果表明,在优化的支撑结构下,主动平板可以较好地补偿系统初阶热像散和初阶四叶像差,为光刻系统热像差的补偿提供了一个思路。     

强电磁干扰环境下光纤束传像系统的设计研究

为解决电磁辐射干扰环境中图像稳定传输的问题,设计并开发了具有抗强电磁干扰能力的光纤束传像系统。利用ZEMAX光学设计软件,对传像系统中前置物镜和后置目镜分别进行了设计,并根据物镜和目镜的初始像差分布情况,利用优化函数,结合各种操作数,对系统的像差进一步优化。优化结果表明,物镜各视场的光学调制传递函数（MTF）值在空间频率为38 lp/mm处大于0.85,目镜各视场的MTF值在空间频率为120 lp/mm处大于0.3,具有较高的成像质量。针对选用的物镜、目镜、光纤束及CCD的结构特点,设计并制备出系统连接的耦合器件,并搭建了一套传像系统,进行图像传输实验。对系统的成像质量以及影响因素进行分析,采用Gamma算法提高像面亮度,获得了高质量的传输图像。     

头戴显示器中自由曲面棱镜的设计

由自由曲面棱镜光学系统所组成的头戴显示器具有体积小、像质高和视场大等优点.利用矢量像差理论傍轴近似结果对具有倾斜曲面的光学系统进行初始结构设计,根据这种方法,以KOPIN公司生产的VGA芯片为例,对头戴显示器中自由曲面光学系统进行设计,将确定的初始结构参数输入光学设计软件Zemax进行优化设计.设计结果验证了确定初始结构方法的可行性,表明头戴显示器中自由曲面棱镜的设计方法可应用于具有倾斜曲面的光学系统设计.     

含衍射光学元件的薄透镜系统初级像差的PWC表示

为了形成与中国传统光学设计体系相街接的折衍混合光学设计的理论和方法,研究了PWC表示的折衍混合薄透镜系统初级像差理论,建立了赛德尔像差和数与P、W、C的函数关系,以及P-∞、W-∞、C-∞与衍射透镜结构的函数关系。采用PWC表示的初级像差理论和高折射率设计方法,获得了折衍混合消色差李斯特型中倍显微物镜的初始结构,结果表明其赛德尔像差和数的理论值与设计值相吻合,从而验证了折衍混合光学系统PWC表示的初级像差理论和高折射率设计方法。优化设计结果与传统李斯特型物镜相比较,具有更长的工作距,且像质显著提高,由于前组为单片塑料透镜,有利于批量生产。     

Φ0300激光扩束器光学系统设计

从三级像差理论出发，分析伽里略（Galilean）和开卜勒（Keplerian）两种类型扩束器的轴外像差没有得到很好校正的原因.通过合理的光路分析，设计出一种轴上和轴外像差都得到很好校正、大口径大相对孔径、视场可增大的、光学性能优于伽里略和开卜勒扩束器的新型扩束器.并给出了物镜通光口径为300 mm、物镜焦距为800 mm、视场为4 mrad、放大倍率为30倍、主工作波长为0.6328 μm的非球面扩束器光学系统结构参量，且进行了像质评价.调整此扩束器目镜组中各镜片的间隔以及物镜和目镜的间隔可以使该扩束器在三个波长使用.     

红外自适应系统中双波段望远镜与红外物镜设计

大孔径红外光学系统往往易受自重和环境温度影响造成像质恶化,引入自适应光学技术的红外自适应系统能够很好地解决该问题,为此设计了一个用于Hartmann-Shack波前检测的红外自适应光学系统。重点设计了10×可见光与中波红外双波段望远镜,物镜为卡赛格林反射物镜组,无需消色差,在可见光与中波红外2个波段实现了消色差目镜设计;还设计了红外成像中继光学系统,可实现100%冷光阑效率,并补偿望远镜在中波红外波段的残余像差,使最终设计的光学系统MTF接近衍射极限,达到了0.5以上,满足设计指标要求。     

二元光学在光学观测轰炸瞄准中的应用研究

光学观测瞄准是大中型轰炸机主要的对地攻击瞄准方式,其光学系统一般采用望远式光学系统,这就要求光学系统能满足可见光和近红外光两个光谱波段。根据国内大中型轰炸机光学观测瞄准系统的主要缺陷,结合光学观测瞄准的实际,探讨了基于二元光学的光学观测系统的组成结构和瞄准原理,分析了可见光波段混合目镜的光学性能、谐衍射物镜的衍射效率以及近红外光波段光学系统的像质,推导了横偏棱镜调平误差引起的瞄准误差的数学表达式,并对设计的合理性进行了验证。     

宽光谱超大孔径反衍望远系统设计

二元光学元件具有许多传统光学元件无法比拟的优越性。利用2个二元光学元件作为系统的物镜和目镜,通过确定各元件的基本结构、孔径大小,设计了25m的超大孔径反衍混合望远系统。所设计系统的弥散斑大小及MTF函数都能够达到设计要求。使用谐衍射透镜代替普通衍射透镜,对系统进一步改进,使望远系统获得了较宽的光谱范围。试验结果表明:改进后的系统无论在单一光谱、多频带光谱或者连续光谱范围,都能够获得接近衍射极限的成像质量。     

折衍混合复消色差望远物镜设计的PWC方法

将衍射结构视为折射率无限大的薄透镜,研究了衍射透镜高折射率表示的折衍混合复消色差望远物镜设计的PWC方法;设计了焦距为2000mm、相对孔径为1/15的双片型折衍混合复消色差望远物镜,并与常规三片型纯折射复消色差望远物镜进行了比较,结果表明双片型折衍混合复消色差望远物镜具有更好的二级光谱校正能力,色球差更小,因此具有更好的成像质量.     

Concept for testing two-mirror optical telescopes

A concept for testing a two-mirror telescope optical system and its optical components is proposed. The example of the space ultraviolet Ritchey-Chretien telescope, with a primary mirror of 170 cm diameter, is considered. The principal propositions of the concept, and the optical schematic diagrams of the independent and mutual testing of the primary and secondary telescope mirrors, are discussed. Constructional data are presented of optical testing systems, with a minimum number of auxiliary optical elements of simple configuration. When designing the optical testing system, the principle of the null test method has been used. According to this principle the object to be tested and the auxiliary optical elements form a system that is free of aberration for a given kind of ray path. This makes it possible to use various methods and instruments intended for testing aberration free optical systems, for example, Twyman-Green and Fizeau interferometers, Foucault or knife edge test, and star tests^1–4.     

用于激光接收/目视瞄准镜的共光路光学系统设计

为实现多传感器光轴校准并达到小型化轻量化的设计要求,将目视瞄准镜作为校轴光学基准,采用共用摄远型物镜组,并利用在立方棱镜斜面镀制光谱分光膜,实现高精度目视瞄准镜与激光接收的共光路系统设计。该目视瞄准镜放大倍率为7×、视场为5°、出瞳直径为3.7 mm、出瞳距离不小于20 mm;激光接收系统视场为1 mrad、接收口径为50 mm,设计结果满足指标要求。     

利用二元光学器件消二级光谱设计

二元光学器件除了能减小成像系统的体积、重量和成本外,还具有许多传统光学元件无法比拟的优越性,如独特的色散特性。通过采用基于二元光学器件的折衍射混合设计以及等效玻璃的方法,设计了长焦距宽波段望远系统,并对其二级光谱进行校正。最后通过光学软件模拟结果表明:利用二元光学元件能很好地实现消二级光谱,并且实现了系统的轻量化。     

带有二元光学元件的可见光望远镜设计

本文讨论了可见光常规望远镜的特点及存在的问题，论述了在望远镜系统中加入二元光学元件（ＢＯＥ）的优点和设计方法。通过具体设计实例表明：混合型望远镜系统与光学性能与基本相同的常规望远镜相比，元件数目减少，且所有元件均使用Ｋ９玻璃，系统重量变轻，系统的结构简化。     

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.     

望远系统像倾斜的数字图像测量技术的研究

利用CCD摄像机采集像倾斜分划图像,建立线性回归数学模型,通过"目标移动法"和"亚像素定位边缘法"实现望远系统像倾斜的高精度自动测量。该方法可消除传统像倾斜测量方法中的主观误差的影响,图像处理误差小于10″,使测量的结果客观化,易于实现光电自动测量。