折射/衍射混合红外双焦光学系统设计

利用二元光学元件消色差和对波面进行任意整形的特点，将二元衍射面应用于红外双焦光学系统中，对变焦方程的解进行了分析，给出了具体的系统设计实例.设计结果表明，在仅使用4片锗透镜的情况下，系统焦距为80 mm，F数为0.8时，系统垂轴像差小于72μm，在10lp/mm时光学传递函数大于0.8；系统焦距为160mm，F数为1.6时，系统垂轴像差小于35μm，在10lp/mm时光学传递函数大于0.7. 关键词： 红外变焦光学系统 折射/衍射混合透镜 光学设计     

大孔径变焦投影镜头设计

为了实现某一大孔径定焦投影镜头作为初始结构, 经过优化设计后成为大孔径变焦投影镜头, 根据设计目标的DMD对角线尺寸, 利用AUTOCAD对选择的定焦距系统的初始结构尺寸进行测绘, 初步选择各镜材料, 规划成5组元变焦系统, 利用各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 并合理利用2个非球面, 在光学设计软件Zemax与CODE V中往返优化, 得到一款在可见光波段内, 短焦距为14.61 mm、视场角为60°、F数为1.5, 长焦距为29.31 mm、视场角为30°、F数为1.6的变焦投影镜头。设计结果表明:各视场的传递函数(MTF)值在截至频率60 lp/mm处不低于0.46, 各焦距处的弥散角不超出1.6', 镜头具有良好的像质。该镜头系统由11块透镜和1块平行平板组成, 其中透镜2使用了非球面镜, 该镜头片数较少, 透镜折射率不高, 材料容易选择。     

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。     

中波红外折衍光学系统消热差设计与杂光分析

论述了红外折衍混合消热差光学系统的设计原理与方法,利用衍射光学元件特性进行消热差与色差,设计出工作波段为3.5μm~5.2μm、F数为2、焦距为100 mm、全视场角7,°具有100%冷屏效率的折衍混合消热差光学系统。对系统进行杂光分析,理想成像光线的像面辐照度为1.5×104W/m2,其他非成像光线的像面辐照度为2 W/m2。该系统在-50℃~80℃的温度范围内成像质量接近衍射极限,适用于像元尺寸为30μm、像元数320×256的致冷型红外焦平面阵列探测器。     

空间高分辨率宽视场红外光学系统设计

针对高分辨率、宽覆盖面积、全天时海洋目标的红外侦察与搜索需求,设计了一种大口径、长焦距的同轴折反射式中波红外光学系统。其工作轨道高度为1200km,波段为3.7~4.8μm,星下点地面像元分辨率优于10m。通过分析计算确定系统焦距为3000mm,相对孔径为1…4。采用镜头前组摆扫方式实现了视场角14.203°,地面覆盖宽度为300km。利用调焦机构在10℃~30℃温度范围内主动消热差,在奈奎斯特频率21lp/mm处全视场调制传递函数(MTF)大于0.39,接近衍射极限。实现了100%冷光阑匹配以抑制系统自身的杂散辐射。设计结果表明,该系统各项性能指标和结构的可实现性均满足要求。     

5倍变焦距光学系统小型化设计

为了完成飞行器导引头目标识别与探测任务,以短焦距、大视场进行搜索并确认目标,以长焦距、小视场进行高精度目标识别。通过选择正组补偿的机械补偿法,采用3种普通光学材料,在长焦距位置,将前固定组、变倍组的组合设计为远摄型,使得系统结构紧凑,满足导引头小型化的要求。利用CODE V光学设计软件,优化设计了焦距为30~150 mm,视场角为12.90°×10.25°~2.59°×2.07°,筒长仅为174 mm的变焦距光学系统,得到成像质量优良的设计结果。各焦距、全视场平均传递函数值在50 lp/mm时为0.695,测试结果为0.562,满足系统的性能要求。     

8～12μm折-衍混合物镜超宽温度消热差设计

介绍了一个大视场大相对孔径红外物镜的消热差设计。该系统工作波段为8~12μm,全视场角为40°,焦距为6 mm,相对孔径为1.25,总长为50 mm,后工作距为15 mm。系统采用三片式结构,仅使用了锗和硒化锌两种材料。引入了一个衍射面和两个二次非球面,使结构简单化,轻量化,并很好地提高了成像质量。在-80℃~200℃温度范围内利用衍射元件实现了消热差设计,并给出了-80℃~200℃下系统的像质评价结果。设计结果表明,在空间频率为16 lp/mm处,各个温度下的系统传递函数(MTF)值均大于0.7,接近于衍射极限,成像质量良好,实现了在超宽温度范围的消热差设计。     

6 mm~60 mm百万像素变焦安防镜头设计

设计一种可用于监控系统的大口径百万像素变焦距光学成像镜头,采用0.85 cm(1/3英寸)CCD接收,像元大小为3.75 m。镜头在短焦、中焦、长焦的位置时F数分别为1.6、2.1和2.4。变焦系统采用四组元组合形式,与传统的变焦系统相比,该系统采用第4组元作为补偿组。通过高斯法分析与求解得到初始结构,使用Zemax软件对其优化,系统均采用球面透镜进行设计。镜头轴上视场在133 lp/mm处大于0.3,轴外0.7视场在133 lp/mm处大于0.2,系统的最小后截距大于9 mm,满足装配要求。最后采用多点拟合绘制出此系统的变焦凸轮曲线。     

大口径超长焦距紧凑型光学系统设计

为满足空间遥感光学系统结构紧凑、体积小以及高分辨率的需求,提出了一种长焦距紧凑型光学系统的设计方法。基于高斯光学和初级像差理论,创建了同轴四反射镜系统的初始结构,通过视场偏置的方法避免二次遮拦。对设计的大口径超长焦距同轴偏视场四反射光学系统进行优化,系统口径1 800 mm,有效焦距25 000 mm,全视场角1°×0.1°。设计结果表明,系统设计波像差优于λ/50(λ=632.8 nm),全视场相对畸变小于0.4%,光学筒长仅为有效焦距的1/10,结构简单紧凑,像质接近衍射极限,对大口径超长焦距空间遥感光学系统的设计具有一定的借鉴作用。     

基于卡塞格林系统的红外制冷型长焦分档变倍光学系统的设计

本文基于卡塞格林系统设计了红外制冷型长焦分档变倍光学系统,计算、推导了光学初始参数及组元的光焦度分配。采用了二次成像结构形式,主物镜组采用R-C光学结构用于缩短筒长,使用投影镜组解决冷屏匹配问题,利用调焦镜实现调焦,通过切换投影镜组后组实现变倍,然后对光学系统像差进行了优化设计,分别给出了长焦系统和短焦系统不同视场的成像质量优化结果,0.8视场内光学传递函数在空间频率17 lp/mm时均大于0.4。最后对主要结构进行了相应的精度分析,结果表明该设计能够很好地满足工程实际需要。     

大孔径长焦距摄远物镜光学系统设计

对于长焦距摄远光学系统,大相对孔径意味着成像亮度更加优秀,但是也伴随着孔径边缘像差变差而难以校正的难题。利用折反系统减小光学系统总长,采用反射结构为基础,搭配前后两组校正镜构成光学系统,设计出大相对孔径,总长较短的摄远光学系统。光学系统工作波段为可见光波段,焦距1 000 mm,F数2.1,摄远比0.52,光学总长远小于焦距,遮拦比45%,全视场MTF在空间频率80 lp/mm处大于0.3,像面直径11 mm。该光学系统镜片全部采用球面镜,光学系统由2片反射镜和7片透射镜组成,结构紧凑,成像质量好。对摄远物镜进行公差分析,得出该设计公差较宽松。     

长焦距变焦镜头的温度分析及补偿

为了提高长焦距变焦镜头的温度稳定性,分析了温度对光学系统的影响。在CODE V里对长焦距变焦镜头光学系统进行温度仿真分析,发现温度对光学系统的像质影响很大。采用无热化技术成熟的主动调焦式补偿方式对光学系统的温度效应进行补偿,发现采取补偿后像质有很大改善,但在相机的最大空间频率处的MTF还是较低,且变焦系统各焦距时的最佳像面并不能齐焦。采用机械被动式补偿和主动调焦式补偿混合的方式进行温度补偿,使得变焦系统在要求的全温度范围内有良好的像质,短焦时MTF大于0.5,长焦时的MTF大于0.25,并且焦距也得到补偿,各焦距时的最佳像面齐焦并与CCD的像面位置重合。     

宽光谱长焦距物镜的复消色差设计

介绍了以摄远型为初始结构的宽光谱长焦距折射式物镜的设计方法。对玻璃材料的选择进行了分析,并建立了能够分配三分离透镜组光焦度的复消色差方程组。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化,给出工作波长范围在0.4~0.9μm、焦距为400 mm、视场角为6.2°、相对孔径为1∶4的设计实例。设计结果表明,二级光谱得到了很好的校正,像质优良。     

基于像差特征分析的变焦光学系统装调

提出了一种基于像差特征分析的变焦系统共轴性装调方法。针对某型20倍变焦光学系统的装调,在分析变焦光学系统装调要求的基础上,通过采用光学定心加工技术,提高变焦系统各镜组内光学元件的同轴度;采用Zygo干涉仪,检测变焦系统在长短焦位置的像差特性分布;借助CodeV软件仿真计算各光学元件在系统中的公差灵敏度分布,并确定产生像差影响的敏感光学元件;在中心偏测量仪上,完成最终光学系统像质的调整。此外,还设计了一种变焦光学系统各动组间同轴度调试装置,对变焦相机主镜筒机械内孔轴线与直线导轨的平行性进行了精确测量,保证了动组组元光轴的同轴精度。装调结果表明:变焦系统成像质量有明显改善,像面一致性得到保证,长短焦轴上传递函数值分别优于技术要求值0.45和0.55,长短焦轴外0.7视场传递函数值优于0.25和0.35,实现了高精度装调,验证了该方法的可靠性。     

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。     

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。     

消热差大相对孔径中波红外望远物镜的研制

为满足低成本空间热成像系统重量轻、适应环境温度范围宽的要求,研制了消热差的大相对孔径中波红外望远物镜,其焦距为100mm,F数为1,全视场角为5°.物镜设计采用了匹兹伐结构型式,仅由两块硅(Si)透镜和一块锗(Ge)的折/衍混合透镜组成,能够实现-20～+60℃环境温度变化范围内光学被动消热差.对实际加工的红外物镜进行...     

圆孔液晶透镜的ZEMAX设计与优化

液晶透镜是自由3D显示的新器件,其原理是利用基于向列相液晶指向矢随外加电场作用发生变化的光电特性。本文提出一种简易准确的透镜参数设计和优化方案。以单圆孔结构的液晶透镜为例,利用光学软件ZEMAX和焦距缩放法对圆孔结构的液晶透镜的参数加以设计并优化。分析液晶透镜的像差,评价成像质量。结果表明,优化后的液晶透镜的像差明显减小,3.5°视场下,弥散斑均方根半径RMS值由248.118μm减小到62.192μm,为原来的25.1%;光学调制传递函数MTF值明显改善。最后实验测试验证了液晶透镜阵列的衍射光斑亮度及清晰度均显著提高。     

宽覆盖高分辨率机载相机光学系统设计

针对机载相机广域高效航拍作业需求,采用新型级联光学成像结构,设计了一种宽覆盖高分辨率机载相机光学系统.该系统由对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列组成,对称前置同心物镜获取剩余像差均匀的宽视场曲面像,中继转像透镜阵列对该曲面像进行视场细分、剩余像差校正及中继成像.所设计的机载相机光学系统焦距为60 mm、F数为3.4、视...