像差与色差

引言要正确地讨论光通过光学系统的成像情形必须用波动光学,波动光学的理论考虑到干涉、衍射等情形,它比几何光学更符合于客观事实。不过,如果一贯地用波动光学的理论来讨论光学系统的成像,则其过程将极为繁杂而不合于实用。适当的办法是利用简单得多的几何光学中光作直线进行的概念,根据几何光学的定律,算出通过光学系统后光线位置变化的情形,然后再利用波动光学的原理来考虑成像的质量。我们先从几何光学出发,并且只限于考虑同轴的球面折射或反射系统,因为实际上只有这一类系统得到广泛的应用。先来考虑光线通过一个折射球面的情形。     

Matlab在几何光学仿真实验中的应用

在工程光学教学中,为了使学生更好地理解球面光学成像系统与理想光学成像系统的区别,提出了用Matlab程序模拟球面光学系统成像过程的仿真实验,并编制了模拟程序.把系统结构参量r,d,n和物距L等代入到模拟程序中,就可以仿真成像系统的成像过程.仿真实验结果显示:理想光学成像系统的成像性质在球面光学成像系统中不存在,但可以通过设计优化使球面系统近似达到或者无限接近理想成像系统,理想成像系统的意义在于它的标准性.     

部分相干光学成像系统的光学传递函数和像质评价准则

根据光学成像理论，建立了部分相干成像光学系统的光学传递函数。该函数与非相干成像光学系统传递函数相同，因而部分相干成像和非相干成像两者的光学系统波面像差公差标准也是相同的。这一点解释了显微镜光学系统的光学设计惯用法则：镜头像差公差标准的选择，并不因为采用成像照明方式的不同而有所差异。     

自聚焦透镜成像特征的仿真分析

自聚焦透镜是微小光学的主要研究对象,它所涉及的光纤成像计算和光路一般比较复杂,本文借助MATLAB程序对其成像过程进行演示分析,对于自聚焦透镜的设计和研究,以及光学类课程的教学均有直观作用.     

机载相机非球面光学系统热光学特性分析

环境温度是影响非球面光学系统成像质量的主要因素之一,采用热光学特性分析方法,对某机载相机非球面光学系统进行热光学特性分析,通过有限元法分析相机光学系统结构热变形,并去除镜面表面刚体位移,将面型数据输入光学软件程序进行Zernike多项式拟合,将拟合结果导入光学设计软件中,对非球面光学系统成像进行性能评价。分析结果表明:热光学特性分析方法可以有效地对非球面光学系统的实际工作环境进行仿真,预测环境温度对光学系统成像质量的影响,对光学系统设计具有指导意义。     

共形光学设计研究

符合空气动力学的导引头整流罩都是流线型的面型,由于这些面型破坏了光学系统的对称性,与导引头成像光学配合时会带来严重的像差,使成像质量下降。所谓共形光学设计就是在整流罩和成像光学系统之间加入校正系统,用校正系统校正整流罩所带来的像差,以便获得良好的成像质量。介绍了共形光学设计的概念,讨论了设计原理,分析了热变形的影响,并给出了一个设计实例。     

二元光学透镜在资源卫星中的应用

使用一种基于二元光学透镜的分光成像及消色差原理的新方法来设计资源卫星的中继光学系统。通过分析二元光学透镜的分光成像原理、消色差原理、衍射效率与阶数和工作波长及设计波长的比之间的关系,又考虑到单独设计制造二元光学透镜的难度,采用折衍混合成像光学系统来拟定资源卫星中继光学系统的设计方案,给出用ZEMAX软件设计的具体结果。设计实例及分析结果表明,包含二元光学透镜的折衍混合成像系统可以很好的实现光谱波段分离,用于资源卫星的光学系统具有一定的适用性。     

声光可调谐滤波器成像光谱仪光学系统设计

为了获得工作谱段范围在400～900 nm声光可调谐滤波器(AOTF)的成像光谱仪系统的二维空间信息、一维光谱及偏振信息,设计了一种应用于AOTF成像光谱仪的光学系统。介绍了AOTF的工作原理,根据AOTF光谱成像仪总体方案,对光学系统的物镜、准直镜及成像镜进行了合理的光学参数分配。设计中采用CODE-V光学设计软件模拟AOTF的多级衍射,在晶体中心即孔径光阑共轭的位置处设置了一块透射式光栅来模拟晶体的偏转,成像镜同时收集由AOTF产生的正交偏振的正、负一级衍射图像,整个系统采用了3种光学玻璃,最终完成了一个设计质量在32 lp/mm的空间频率下,调制传递函数(MTF)均值为0.75的光学系统。     

跨尺度光学内窥成像技术

光学成像技术具备高分辨、多尺度、多维度、易集成以及低辐射等优势,在生物医学领域发挥重要的作用。在内窥镜领域,如何进行内窥图像信息的获取、处理及可视化是光学成像技术要解决的核心问题,在医学临床中获取内窥镜所观察部位的跨尺度图像有利于医师对于患者病情的诊断以及提升术中操作的精确程度。本文从跨尺度光学成像技术在内窥镜领域的应用入手,重点阐述了目前内窥镜临床中用于获取跨尺度图像的光学系统类型,包括跨尺度变焦光学系统、光纤扫描成像系统、多通道成像系统等,说明了这些跨尺度光学内窥镜系统如何获取跨尺度图像,并对跨尺度光学成像在内窥镜领域的未来发展做了展望。     

消畸变、长焦距相机光学系统设计

随着空间光学技术的不断发展,时间延时积分电荷耦合器件(TDI-CCD)相机得到了广泛的应用,TDI-CCD图像传感器的应用不仅提高了相机系统的信噪比而且使相机的光机结构更加紧凑,但光学系统的畸变在推扫过程中会造成像移,并最终导致图像模糊,因此对光学系统的设计提出了新的要求。分析了光学系统畸变对TDI-CCD推扫成像时的影响,研究了空间相机光学系统设计中消除畸变的方法,并进行了光学系统设计。设计了谱段位于450～900nm,焦距f=6000mm,F数为10的三反射消畸变光学系统。设计结果表明,当光学系统视场角为1.6°时,光学系统的畸变量小于0.01%,当面中心遮拦为0.06时,Nyquist频率(50lp/mm)处调制传递函数优于0.50,成像质量达到衍射极限,可以满足高分辨率TDI-CCD空间相机的使用要求。该光学系也适用于多光谱、立体成像和立体测绘等对光学系统畸变有严格要求的相机系统。     

波前编码景深延拓与几何光学景深的关系

波前编码成像系统将模拟编码方法与数字解码技术相结合解决景深延拓问题,可以用信息光学的方法进行分析,得到波前编码系统的景深延拓扩展率。但是这种方法使用的景深概念和几何光学的景深概念有所不同。从几何光学角度研究了信息光学导出的波前编码系统的景深延拓扩展率与几何光学景深延拓的关系。最后得出结论,在F数一定的情况下,随着探测器分辨率的提高,几何光学景深延拓扩展率与信息光学给出的波前编码光学系统的景深延拓扩展率趋于一致。     

小口径高精度折射式光学系统装调公差的分析与控制

采用小口径高精度折射式光学系统的对地观测遥感器对成像质量要求严格,随之对装调公差要求苛刻。传统装调公差分配完全以光学设计给定公差为标准,在实际装调过程中与精度和周期的需求产生矛盾。提出将光学设计和装调实践相结合,用全过程仿真计算进行成像质量预估,对公差进行再分配,并利用光学系统各分离误差相互间的补偿,实时调整公差。然后举例说明在某小口径高精度折射式光学系统装调过程中对公差的具体分析,并详细阐述了针对公差的再分配和补偿方法,实现对偏心误差的控制精度为2,对镜间距的控制精度为1 m。镜头装调完成后成像性能良好,证明公差分配及控制方法的改进使装调效率显著提高。     

大口径红外离轴三反光学系统设计及公差分析

在空间光学领域中,光学系统的发展趋势为长焦距、大视场、轻量化、大相对孔径、高成像质量等。为适应该发展趋势,对大口径反射式光学系统进行研究,在共轴三反系统的成像理论基础上,为避免中心遮拦,提高成像质量,采用视场离轴方式,设计了一款大口径离轴三反式光学系统。该光学系统在奈奎斯特空间频率17 lp/mm处,光学传递函数MTF大于0.75,成像质量接近衍射极限。此外,光学系统公差的合理分配是影响相机总体性能的主要因素,运用公差灵敏度分析和反转灵敏度分析,计算各公差对光学系统成像质量的影响,给出了合适的公差分配,经过模拟分析,按照给定的公差加工装调,系统光学传递函数大于0.55。     

偏振成像激光雷达与短波红外复合光学接收系统设计与分析

基于偏振调制的三维成像激光雷达,具有测量范围远、测量精度较高、成像速度快、无运动伪像等优点,同时不受其他调制方式中增强电荷耦合器件、雪崩光电二极管阵列探测器工艺复杂、易饱和损坏等缺点限制,但存在需要双相机、成像视场角受电光晶体限制、成像质量易受到入射角度及云雾等大气条件影响等缺点.为克服上述缺点,本文提出采用偏振成像激光雷达与短波红外变焦光学系统共孔径复合的方式,构建双模目标探测成像系统.开展偏振成像激光雷达与短波红外复合光学系统设计研究,使用光学设计软件完成系统光学设计,并对完成系统像质分析;使用光学仿真软件对光学系统成像过程仿真;分析仿真结果表明所设计光学系统成像质量良好、设计正确可行.本文所采用方法为偏振调制成像激光雷达研究提供一种新思路.     

基于层析传感的自适应光学眼底成像系统

为了解决传统自适应光学系统校正视场小的问题,提出了一种层析自适应光学眼底成像系统。以Zemax为工具,Liou-Brennan(LB)眼模型为仿真对象,研究了层析自适应光学眼底成像系统的性能。分析了20°视场内的眼底像差特性,用Zernike边缘多项式描述眼底像差,获得了不同视场内眼底像差的类型和大小。对比了传统自适应光学和层析自适应光学眼底成像系统的性能。结果表明,相较于传统自适应光学,层析自适应光学系统可将校正视场从1.2°扩大至3°。确定了传统自适应光学和层析自适应光学眼底成像系统中变形镜的最佳共轭位置,均位于出瞳面前3mm,此位置与人眼角膜共轭。     

航空光电侦察图像质量影响因素分析

从航空光电侦察系统的实际需求,首先图像信息的角度研究图像质量优劣的定性和定量因素,提出一种基于相似特征区域提取的图像清晰度评价方法,使得图像清晰度的主观感受与客观评价相匹配。其次从成像系统的光学评价角度分析影响成像质量的光学传递函数、像差、透过率等因素及其相互关系,然后依据多波段长焦反射式光学系统进行试验结果验证。最后,结合工程实践提升成像质量的要求,指出光学成像系统研制中应重点关注的几个方面,并针对多波段长焦反射式光学系统,给出具体参数建议。     

基于坐标变换的动态光学成像性质研究

利用齐次线性坐标变换，将光学系统的高斯物像共轭理论用齐次坐标变换的方法来描述，并与动态光学理论中的作用矩阵相比较，阐述坐标变换方法与动态光学理论的关系。利用坐标变换方法推导一些重要的动态光学系统的成像性质，验证动态光学的一系列结论。通过本文的研究，证明坐标变换方法与动态光学理论的一致性，也明确在动态光学系统内坐标变换方法的应用。     

混入逃逸函数的实数编码遗传算法优化光学系统

为了得到超多参量光学系统的最佳设计,将标准遗传算法的二进制编码改为实数编码以提高算法的鲁棒性和计算效率,并在评价函数中混入逃逸函数避免优化过程陷入局部极值.用改进后的遗传算法和CODE V对鱼眼镜头光学系统和折反射全景成像系统的设计案例进行光学参量优化,并应用Zemax对两种优化结果进行光线追迹成像模拟.计算结果表明,应用改进遗传算法比混入逃逸函数的遗传算法或CODE V软件优化所得到光学系统的成像质量有明显提高,在优化超多参量光学系统时具有较为理想的鲁棒性和计算效率.     

红外/激光双模共口径光学系统设计

针对未来导弹的发展趋势,提出一种红外/激光双模共口径光学系统设计方案,可用于获取目标的双模信息。分析了光学系统的基本参数,研究了双模共口径系统的设计思想,并进行了光学系统设计。所设计系统实现了长波红外和激光双波段的共口径成像。红外部分相对孔径1.27,光学系统传递函数接近于衍射限;激光部分相对孔径0.63,接近于理论极限,成像光斑能量分布均匀,线性区范围内光斑变化较小。     

二维调制传递函数及其在波前差检测方面的应用

光学系统像质分析在光学系统设计、加工和装调过程中具有重要意义.像质分析常用的方法有调制传递函数法和波前差法.对于高分辨率光学系统,传统的一维调制传递函数由于只提供了一维空间频率信息,因此在像质检测时有一定的局限性.本文基于随机数图像的傅里叶功率谱密度理论,提出了一种利用随机数图像作为目标物来测量成像光学系统二维调制传递函数的方法;通过利用NewtonCotes求积公式,对有像差系统的光学传递函数计算公式做进一步推导,提出了利用实际成像光学系统的二维调制传递函数值直接计算系统波前差的算法.实验结果表明,二维调制传递函数较之一维调制传递函数更能真实地反应成像光学系统的成像性能;利用二维调制传递函数计算得到的波前差与理论波前差在轮廓上有较好的一致性,可以作为实际系统波前差分析的一条新途径.