基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.     

基于自由曲面的大视场离轴反射光学系统设计

大视场离轴反射光学系统可以获取丰富的信息资源,是未来空间光学系统的发展趋势。自由曲面在离轴反射光学系统中的应用可以增大系统视场,但大视场自由曲面离轴反射光学系统初始结构较少,优化过程复杂,设计难度大。提出了一种大视场自由曲面离轴反射光学系统设计方法,首先基于矢量像差理论与费马原理直接获得成像质量较好的无遮拦自由曲面初始系统,再对其进行简单优化即可得到最终的大视场自由曲面光学系统。该方法可以降低大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计难度。设计了一个大视场自由曲面离轴三反光学系统,光学系统视场为30°×3°,F数为2,验证了所提方法的有效性。     

大视场曲面复眼光学系统设计

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题.该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成,各子复眼光学系统相互独立,其光线相互交叉.在系统中引入自由曲面透镜,自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折,使同一子系统的微透镜成像于平的像面上.每个子系统包括一层微透镜阵列,一个自由曲面透镜,一光阑阵列和后续像差校正镜.相比较于传统的复眼系统,该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强,能很大程度地提高边缘视场的像质.该系统的理论视场可达180°,制造精密要求不高且适用性强.本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证,证明其可实现性.     

基于三维构建法的大视场低畸变自由曲面空间光学系统设计

为了满足空间遥感器对光学系统大幅宽、低畸变、小体积的要求,采用三维构建法设计了一个大视场离轴四反自由曲面光学系统,成像全视场为60°,相对孔径为D/f′=1/14。阐述了三维构建法的设计思路,并采用该方法直接由二次非球面系统设计得到自由曲面光学系统,作为初始结构进一步优化。优化之后,光学系统的平均传递函数优于0.5(25 lp/mm),最大相对畸变为0.54%。研究结果表明,三维构建法有效、快捷,极大地提高了自由曲面光学系统的设计效率。同时,基于三维构建法设计的大视场自由曲面光学系统,系统畸变显著减小,解决了大视场反射式光学系统传递函数(MTF)与畸变无法平衡的难题,满足空间遥感的未来发展需求。     

大视场四象限探测光学系统设计

为了实现大视场激光探测跟踪,分析了大视场激光探测光学系统的研制特点。首先,根据四象限探测对光学系统光斑均匀性的要求,结合系统的指标参数,选定合理的光学结构型式,提出像差校正的设计方案。然后,基于ZEMAX软件完成大视场四象限探测光学系统设计,并利用点列图、光线足迹图、包围圆能量定性评价系统光斑质量;通过TRACEPRO光学分析软件,得到探测器靶面的光线照度分布。最后,依据设计结果完成光学系统的加工装配及性能测试。测试结果表明：激光探测系统线性视场为±6°,测角精度优于0.15°,并根据实测数据针对线性视场进行曲线拟合,与理论曲线相符,验证了设计结果的正确性。     

含有自由曲面的大视场低畸变同轴三反射光学系统设计

遥感测绘应用要求光学系统焦距长、幅宽大、畸变低、体积小,并且可以实现与卫星平台的一体化设计。经过结构优选,采用改进型同轴三反结构,同时实现了长焦距、大幅宽和低畸变。由于二次遮拦和大视场的影响,一般的非球面优化设计成像质量不能满足要求。自由曲面的加入有效地增加了光学系统优化的自由度,经过优化设计后,光学系统设计传递函数大于0.418(72lp/mm),最大相对畸变小于0.00145%,光学系统成像质量明显提高。利用计算全息(CGH)技术实现了自由曲面的检测与精磨加工,设计残余波像差均方根(RMS)值为0.007λ,峰谷(PV)值为0.027λ,满足自由曲面的面形公差要求。加工、装调后实测光学系统的实验室静态传递函数,弧矢方向最低静态传递函数为0.225(72lp/mm),满足系统技术指标要求。     

基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统

全景鱼眼光学系统的成像圆通常为完整的圆形,小于感光芯片的垂直方向尺寸,相比长方形芯片,圆形成像圆面积较小,芯片有效像素利用率低。结合全景鱼眼光学系统成像圆小于芯片的特点,介绍一种基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统,可实现椭圆形成像区域,大大提高芯片有效像素的利用率。采用光学设计软件,构建自由曲面模型,运用玻璃镜片加塑料镜片混合构成的方法,通过消像差和控制不同温度场下焦点漂移设计非对称全景鱼眼光学系统的成像区域为椭圆,实现了镜头成像像高X方向接近芯片的水平尺寸,Y方向接近芯片的垂直尺寸。在不考虑制造公差的理想情况下,对于4:3芯片,根据圆和椭圆面积公式可得圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为58.9%,椭圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为78.5%。仿真和计算结果表明,采用椭圆形成像光学设计比圆形成像光学设计的芯片有效像素利用率提升15%左右。     

大视场虚拟现实光学系统设计

虚拟现实技术由于具有良好沉浸感和人机交互性强的特点而被广泛应用于军事训练、教育和医疗等领域。本文设计一款适用于虚拟现实头盔显示器的两片式大视场光学系统。利用单透镜作为初始结构,根据设计要求调整出瞳直径,出瞳距离,逐渐增大视场角,并采用非球面来优化提高光学系统的成像质量,减小畸变。设计完成的头盔显示器光学系统全视场角达到92°,所有视场下的调制传递函数值在奈奎斯特频率处均大于0.1,系统最大畸变为9%,并且在全视场范围内实现每度16.8像素数的角分辨率。实验结果表明：与单片式光学系统相比,本文设计的两片式系统具有更好的成像质量、更出色的边缘视场畸变和色差控制效果。此外,该光学系统重量轻、结构紧凑、成本低,可应用于新一代虚拟现实设备的头盔显示系统。     

用于深空探测的宽谱段大视场小型光学系统设计

设计了一种宽谱段、大视场、轻小型成像光学系统.系统焦距为35mm,相对孔径为1∶7.5,工作谱段为0.4~0.9μm,全视场为2ω=60°,采用复杂化双高斯结构,透镜面形均采用球面设计,实现系统总长115mm,在70lp/mm处,最低光学传递函数大于0.45.利用负畸变法、像差渐晕法改善广角系统像面照度均匀性,使像面边缘视场照度达到中心视场的80%.像面照度不均匀性为8%,系统热光学性能良好,在0~40℃范围内均有较好的像质,满足深空探测需求.     

大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计

头盔显示器系统由于自身对尺寸和重量有严格要求,采用自由曲面器件可以起到减少透镜片数,从而缩小系统尺寸、减轻重量等作用.针对目前单片式自由曲面棱镜解决方案存在的出瞳直径小,棱镜自由曲面光学面加工定位困难等问题,介绍了一种大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计方法,并给出了设计结果.设计方案采用了自由曲面棱镜和薄透镜的双片...     

大视场航空相机光学系统设计

针对航空相机复杂的使用环境以及需在高速运动中进行高分辨率成像的特点, 设计了一种大视场航空照相机光学系统。该系统光学结构采用双高斯准对称结构形式,通过双成像模块光学拼接扩大视场角,调整最后一片透镜实现内置调焦,且通过控制地物反射镜的3种工作模式,分别实现航空相机垂直照相、自动调焦及前向像移补偿功能,避免了航拍过程中温度、气压、航高等环境条件变化时引起的图像质量大幅下降,确保整个视场内成像质量不受影响。该光学系统设计实现了全视场无渐晕, 全视场最大畸变＜0.5‰,在91 lp/mm处MTF接近衍射极限,物镜在全视场范围内成像质量一致。通过实验室及航拍试验验证,该光学系统具有成像清晰、视场大、可靠性高、体积小、质量轻等优点,满足了航空相机在比较复杂环境下清晰成像的要求。     

自由曲面空间光学系统设计研究

对自由曲面的发展及应用做简要梳理,介绍国外自由曲面空间光学系统的研究现状,讨论3种自由曲面数理模型的特点和像差平衡能力,阐述自由曲面光学系统相对轴对称系统和平面对称系统的像差特点以及自由曲面空间光学系统的像差控制与评价方法,给出采用泽尼克多项式表述的自由曲面多光谱相机的设计结果,成像视场76,为远心光路设计,全视场调制传递函数（MTF）优于0.56,适用于空间多光谱成像。     

自由曲面光学系统设计及其应用

介绍了自由曲面光学系统研究背景,自由曲面描述方法,光学设计中的逐步逼近优化和像质自动平衡优化两种算法。并以实际应用中的头盔光学系统设计及大视场、高分辨率头盔显示器的设计为例对这些方面进行分析,讲解了自由曲面光学系统设计及其应用。     

基于Zemax的大视场水下成像光学系统设计

水下成像是海洋探测的重要手段,为满足海底微光以及大视场成像需求,利用光学设计软件Zemax设计了一款总长70mm,相对孔径为1/1.5,视场角为90°的水下成像光学系统。系统采用反远距结构,优化后仅由7片球面透镜和1片平板水密窗口组成,系统具有结构简单紧凑、大视场和大相对孔径等优点。设计结果表明,在各视场内,弥散斑的均方根半径均被控制在7μm范围内,且调制传递函数曲线在奈奎斯特频率为56lp/mm处的值均高于0.45,系统具有优异的成像质量。在单个探测像元内,系统的衍射能量大于90%,能量集中度高。此外,公差分析结果显示,系统具有较好的稳健性,且加工工艺易于实现。设计满足水下成像系统对大孔径和大视场的需求,具有重要的应用价值。     

大视场红外同心光学系统的设计

研究了同心光学系统的成像特性以及设计方法,分析了厚透镜的成像理论。设计了工作在3．7～4．8μm、视场15°的红外同心光学系统,该系统具有接近衍射极限的成像质量。对红外同心光学系统各个视场的传递函数进行了测试,结果表明该系统具有较好的成像质量,且成像特性和同心光学系统的成像原理是一致的。     

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。     

长波红外大视场大相对孔径光学系统设计

设计了用于非制冷红外焦平面阵列探测器的大视场、大相对孔径的长波红外物镜。系统由3片非球面锗镜组成,采用反远距结构,系统焦距为6mm,相对孔径为1∶0.8,全视场角为160°,总长为86.13mm。设计结果表明:在空间频率为20lp/mm处的MTF值大于0.7,接近衍射极限。该系统除具有反远距结构的结构简单、体积小、质量轻、像面照度均匀等优点外,还具有超大视场。     

小口径大视场工业内窥镜光学系统设计

近年来,内窥镜广泛应用于复杂环境下小尺寸零件缺陷检测,该文设计一种用于航空发动机叶片检测的工业内窥镜光学系统。系统基本结构采用二次成像,物镜采用非对称反远距结构,将大视场光线收束进小口径腔体中,适配镜将物镜所成一次实像放大21倍,后接对角线长42 mm高速相机。系统基于Zemax设计软件进行系统优化、公差分析和像质评价,最终系统具有大视场(120°)、细孔径(3 mm)、耐高温(25℃～180℃)等特点。由于对视场、孔径和适配镜放大率有较高要求,因此合理引入非球面提高系统成像质量,入瞳直径提高至0.5 mm,系统空间截止频率在17 lp·mm^-1处,全视场调制传递函数值均大于0.28,最大畸变值小于21.2%。     

大视场双目头盔投影光学系统设计

设计了一种新型的头盔投影光学系统,解决了头盔系统中大视场和双目实现之间的设计矛盾,且有较小的重量和尺寸.系统的特性参量为：视场角60°,有效焦距30 mm,出瞳距离25 mm,出瞳直径12 mm.该系统由折/衍混合双高斯镜头、半透半反镜和回射屏组成.像差分析结果表明,系统的最大像散为0.27 mm,垂轴色差小于2.7 μm,畸变小于3.8%,最小分辨角为0.5 mrad,成像质量高.