大孔径大视场变焦投影镜头设计

为了满足大孔径大视场变焦投影镜头的市场需求, 基于Zemax光学软件设计一款连续变焦的投影镜头, 变焦范围为16.27 mm~22.77 mm, 视场角为63.7°~47.8°, F数为1.75~1.95, 配合1.55 cm(0.61英寸)LCOS投影显示芯片使用, 在工作距离2 000 mm处可投射出190.5 cm(75英寸)画面, 光学系统总长小于160 mm, 由10片透镜组成, 其中包括8片玻璃透镜和2片塑料透镜。设计结果表明:镜头在空间极限频率71 lp/mm处, 各个焦段的MTF值均大于0.5, 场曲都在0.1 mm之内, 畸变小于3%, 成像质量良好。最后对光学系统进行了公差分析, 得出一组较宽松的公差。     

基于双泽尼克多项式的多视场稀疏孔径成像

基于双泽尼克多项式推导稀疏孔径光学系统与视场相关的广义光瞳函数,以Golay3稀疏孔径成像系统为例,通过ZEMAX软件进行光学设计和数据拟合获得广义光瞳函数的双泽尼克多项式系数,根据傅里叶变换关系计算得到稀疏孔径光学系统的调制传递函数（MTF）,并针对不同视场稀疏孔径光学系统进行成像模拟和图像复原。结果表明,调制传递函数的理论计算结果与ZEMAX设计结果一致,利用双泽尼克多项式可以表示不同视场稀疏孔径光学系统的成像特性。构建与视场相关的维纳滤波器进行图像复原,可有效提高不同视场稀疏孔径光学系统的成像质量。     

大视场反射式施密特光学系统设计与检测

大视场、低成本、高性能天文望远镜是当前研究和开发的热点。基于像差平衡原理,在正入射施密特矫正板基础上推导出斜入射反射式施密特矫正板方程,针对焦距1 700 mm,成像视场角4°,波段为0.4 μm～0.9 μm,F数为4.25的光学系统,求解出施密特矫正板方程,并作为初始结构参数代入Zemax软件进一步优化。设计结果表明,在全视场范围内,该系统在奈奎斯特频率100 lp/mm处的调制传递函数MTF大于0.35,畸变小于2.5%,成像质量达到了衍射极限。优化设计后施密特矫正板与最近球面最大偏差为0.005 mm,采用特制的补偿器结合干涉仪可完成面形高精度检测。该施密特系统的设计为大视场、宽波段天文望远镜的开发提供了参考。     

机载大视场高光谱成像系统设计

为适应机载高光谱成像系统的发展需要,设计了一种机载大视场高光谱成像系统。前置望远系统为大视场宽谱段透射式系统,高光谱成像仪为基于Offner次镜的改正型Féry棱镜中继系统。系统设计过程中两次使用Zemax多重组态设计;尝试将Offner次镜的改正型Féry棱镜设计为高光谱成像仪;将Féry棱镜高光谱成像仪集成为高光谱成像系统进行一体化系统分析。该设计在结构和设计方法上均有改进。设计的大视场可见近红外高光谱成像系统视场可达28°,机载载荷高度为5km时,全系统的刈幅宽度为2.493km,地面分辨率可达0.6m。左半视场和右半视场全谱段调制传递函数均大于0.6,最大谱线弯曲和谱带弯曲不到0.2pixel,成像质量接近衍射极限。     

大孔径折反射光学系统研究

本文介绍了一种大孔径折反射光学系统,该系统采用同心结构型式,象面是弯曲的,当相对孔径为1:0.8,全视场角为40°时,象面最大弥散均方值直径为 0.013 mm,对于80lp/mm的特征频率,其调制传递函数在0.4以上。     

大视场三反射面非共轴光学系统研究

本文研究了一种各面都是二次曲面的三反射面非共轴光学系统,并给出视场角为16°×2°,焦距为1500mm的设计结果.     

利用光纤拍摄大视场的全息图

利用光纤进行分束形成一束参考光与三束物光相干涉拍摄全息图,实验所需光学器件简单、操作简便易行,实验效果良好。     

大视场航天遥感器的光学系统设计

设计了一个主镜为凸面的三镜无遮掩全反射光学系统。采用共轴系统设计、离轴视场使用的成像方式,避开了中心遮光,实现了大视场。其视场角为30°×2°,焦距为600mm,相对孔径为1/5 6。各个面都是二次曲面,成像质量接近衍射限。结果表明,用这种方法设计的系统在航天遥感领域具有很好的应用前景。     

大视场透射式红外平行光管系统设计

为了满足红外检测设备大视场、高像质、易便携的要求,设计了工作波段为8~14μm、全视场大于等于24°、孔径为130mm的大视场透射式红外平行光管系统.采用三片式摄远物镜结构,并加入一片非球面解决了三片透射式系统像差难以平衡的难题.根据光学设计理论对系统进行多层次优化设计,最终得到了在全视场内的红外平行光管设计结果,其中不同波长所对应的各焦距位置在20lp/mm处的调制传递函数不低于20%、畸变小于1%,其优点是大视场、高分辨率、成像质量好、结构简单,可以为各种红外热像仪、军用红外瞄具的性能参数检测系统提供高像质、高分辨率的无穷远红外目标源.成功研制一台应用样机,并于加工装调后进行了应用验证试验,结果表明样机获取图像清晰准确,能够满足测试要求.     

大相对孔径、大视场、紧凑型空间光学系统设计

设计了一种基于改良曼金反射镜的大相对孔径、大视场的光学成像系统,分析了改良曼金反射镜的像差,提出了改良曼金反射镜的设计方法。系统采用改良曼金反射镜和折反式光学系统结合的形式,相对孔径为1/1.8,视场角为4°×4°,工作波段为450～850 nm,焦距为380 mm,成像探测器像元为2μm×2μm的互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器,在250 lp/mm Nyquist频率处的调制传递函数值接近衍射极限且大于0.5。系统次镜采用曼金反射镜和消色差透镜结合的形式,基于系统初始结构初步优化分析所得的球差、正弦差,采用PW法求解出消色差曼金反射镜的光焦度;基于消色差条件和系统剩余色差,求解出消色差曼金反射镜3个表面的光焦度,计算得到了表面的曲率半径。系统的单色像差及色差均较小,成像质量好。     

大视角计算机制彩虹全息图的研究

提出大视角计算机制彩虹全息图制作的新方法-计算机与光学相结合的两步法.采用这种方法,计算机制彩虹全息图的视角可以方便地做到适合显示需要的大小,并且全息图的计算时间比采用一般方法计算短,解决了目前计算机制全息用于显示实用化存在的难点:庞大的计算量,大视角全息图制作困难.     

基于滤波成像的大视角数字全息技术

为提高数字全息再现像视角,提出一种基于滤波成像的数字全息技术来实现大视角的三维物体面型测量.利用离轴像面数字全息技术,通过在4F相干图像处理系统的空间频谱面处放置可移动的低通滤波器,使满足CCD分辨率的物光波与参考光波干涉形成全息图,并控制低通滤波及成像区域分别记录不同谱段的子全息图.再现时,首先对子全息图进行数字傅里叶变换,重构对应频谱段,并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱|而后通过数字再现获得大视角的数字全息再现像.利用该方法测量了圆柱形表面（光滑的缝纫针）的三维形貌,并取得了较好的实验结果.     

光学畸变对大孔径静态干涉成像光谱仪影响的建模与仿真

大孔径静态干涉成像光谱技术是近年来出现的一种新型干涉成像光谱技术,具有原理简单、稳定性高等诸多优点,但是仪器对光学系统的设计要求苛刻。特别是光学系统的畸变,对仪器获取的数据有较大的影响,并最终影响仪器的应用。通过对仪器获取数据机理的分析,给出光学系统畸变影响下的数据模型,为仪器的性能评估提供可能。最后在4%的畸变值条件下,利用模型和既定参数对畸变影响进行计算机仿真,由仿真结果可以看出,虽然该畸变对于普通的光学成像系统来说是可以容忍的,但是对于大孔径静态干涉成像光谱仪来说,复原光谱不但存在5%的相对偏差,而且光谱位置在长波处产生了近8 nm的偏移,从而导致光谱无法应用,因此该畸变是不可容忍的。     

大口径高变倍比红外目标模拟系统的设计

为了模拟红外目标由远及近的飞行过程,结合高变倍比红外连续变焦系统与大口径投影系统设计了一款红外目标模拟系统.连续变焦系统变倍比为20倍,工作波段为8~12μm,大口径投影系统口径为300mm,工作温度为-30~40℃.基于对系统参数的计算与分析,通过推导的消热差及消色差方程对材料进行合理选择及光焦度分配,实现了光学被动消热差设计,应用动态光学理论对变焦凸轮运动曲线进行了计算与绘制.系统成像质量分析结果表明,变焦过程中像面稳定,成像质量良好.该系统可以实现高倍率红外目标飞行距离的连续变化模拟,具有变倍比高,体积小,像质好,环境适应能力强等特点.     

大口径红外辐射计的光谱定标

介绍了大口径红外辐射计的光谱定标方法.研制了大口径红外辐射计.该辐射计主要由前置光学系统,红外探测器(热释电探测器和碲镉汞探测器2～14μm),机械斩波器,锁相放大器,信号采集器等组成.首先对大口径红外辐射计的光谱定标方法进行了分析,然后建立红外辐射计光谱定标的测量装置,并分别测试腔体热释电探测器和HgCdTe探测器的响应非线性,最后用腔体热释电探测器在该测量装置上对HgCdTe探测器进行红外光谱响应度校准实验.通过两种相对光谱响应度测量方法的对比,给出多次测量结果的平均值及两种方法的对比分析.分析结果表明,测量系统的不确定度优于3.4％.     

大口径石英基底衍射透镜的高精度制备方法

针对传统接触式曝光过程中掩模版因自身重力产生形变从而引入不可忽视的线宽误差和位置误差的问题,提出了一种大口径石英基底衍射透镜的高精度制备方法.采用背面具有真空道的高平面度、高强度金属校正工装吸附在掩模版上,利用掩模版上下表面的压强差使其与工装高度贴合,确保掩模版的高平面度.待石英基底所有区域均与掩模版结构面紧密贴合后取下工装.完成接触式曝光和显影后,采用反应离子刻蚀技术对大口径石英基底进行刻蚀,最终得到高精度微纳米结构.经有限元分析,使用该校正工装后,掩模版的形变量由28.85μm减小为0.88μm.实验结果表明,采用该方法制备的口径430mm两台阶石英基底菲涅尔衍射透镜波像差优于1/25λ,平均衍射效率为38.24%,达到理论值的94.35%,具有良好的聚焦和光学成像效果.     

光学稀疏孔径成像系统子孔径位相误差研究

阐明了光学稀疏孔径成像系统的原理,用主峰积分旁瓣比和实际截止空间频率对系统进行评价,并针对稀疏孔径系统常用的Golay6和TriArm6两种结构,进行误差分析和计算机仿真实验.结果表明,在位相差小于0.2波长时,仍可获得较好的成像观测效果;当位相差大于0.3波长时,成像效果较差.     

微波脉冲与孔阵矩形腔体耦合的数值模拟研究

利用时域有限差分(FDTD)方法对微波脉冲与孔阵矩形腔体的耦合过程进行了数值模拟研究. 当孔缝阵中的孔缝长边垂直于入射电场方向时, 详细分析了微波脉冲与孔缝阵矩形腔体的耦合过程中孔阵面上各个孔缝中心点的电场分布情况. 结果表明, 在平行于入射电场方向上排列的孔缝中, 处在中心的孔缝场增强效应最弱, 孔缝场增强效应由中心向两侧依次对称的增强; 在垂直于入射电场方向上排列的孔缝中, 处在中心的孔缝场增强效应最强, 孔缝场增强效应由中心向两边依次对称的减弱. 同时, 讨论了孔缝孔阵中孔缝个数、间隔等因素对各孔缝中心点的场增强效应和腔体内的耦合场分布的影响.     

四子孔径光学合成孔径成像系统空间排布性能分析

对三种空间排布结构的四子孔径光学合成孔径成像系统性能进行了分析.根据避免有效频率信息丢失的原则,分别计算了三种结构各自对应的空间排布限制条件.在此基础上得到了三种结构的有效频率覆盖范围和等效孔径.结果表明,当频率覆盖范围要求比较高时,只能选择三臂结构;当环形均匀结构和三臂结构具有相同的有效频率覆盖范围时,按照抑制次峰的选择标准,三臂结构要优于环形均匀结构;当环形优化结构和三臂结构具有相同的有效频率覆盖范围时,环形优化结构的点扩展函数次峰要明显大于三臂结构,而且环形优化结构的光学传递函数缺乏三臂结构的对称特性.     

大景深彩虹全息图的获得与观察条件

本文从彩虹全息的线状点基元全息图入手,首次对其景深进行了分析和讨论.理论上证明了只要满足一定的观察条件,则彩虹全息可以进行大景深的记录和再现;实验上获得了景深达450mm的彩虹全息图.