无热化双谱段复合成像光学系统

针对机载小型轻质和宽温度场的使用需求,基于光学被动消热差理论,设计了共孔径共视场分光路可见光和红外双波段无热化成像光学系统。两个谱段共用卡塞格林主光学系统,采用分色片实现双谱段分光。分光后两个谱段采用相互独立的中继透镜组。红外波段通过二次成像,实现双波段冷光阑100%匹配。通过共视场设计提高不同探测波段目标的信息一致性。可见光和红外谱段焦距分别为1750mm和1000mm,工作谱段为0.45~0.9μm、3~5μm,入瞳孔径为250mm,视场角1.1°,光学系统各谱段耐奎斯特频率处调制传递函数接近衍射极限,在宽温度场范围内像质稳定,完全能够满足实际使用需求。     

Design strategy for broadband or dual-band ultrathin imaging system

Using reflective multiple-fold approach can reduce bulk and weight compared with large high-quality optical systems and improved resolution and light collection compared with miniature conventional systems. Air-spaced concentric multi-reflection (ACMR) systems, where two reflective surfaces surround a hollow cavity, are useful for extended focal distance, achromatic aberration, useful for inexpensive, lightweight IR imagers and may lead to convenient designs for broadband or dual-band imagers. Design a camera, which spectral response 2?12 μm, with a total thickness of 30 mm, 130 mm effective focal length, ±4.2° FOV, 0.022 mrad resolution and 68 mm effective aperture, 96 mm outer aperture. Application can fit into the hull or wing of a micro-UAV aircraft, which weight and thickness are tightly constrained, for long range surveillance.     

双波段共孔径相机光学系统设计

双波段共孔径相机可兼顾近红外和可见光两者优势,即能保证丰富色彩信息的获取,也可充分利用近红外探测较好的穿雾和高灵敏度弱光探测能力。设计了工作波段为450 nm~650 nm和750 nm~900 nm的双波段共孔径相机,其视场角为35°×20°,F数为1.5,采用全球面复杂化双高斯结构。设计结果表明:MTF>0.4(@50 lp /mm),系统弥散斑 < 10 μm,畸变 < 3%,可满足指标要求。     

适用于高精度激光测距的光学系统设计北大核心CSCD

随着激光雷达技术的发展和测距精度需求的提高,对发射和接收光学系统提出了新的要求,需具有光束可调节、测量光斑小、回波效率高等特性。设计一种工作于1550 nm光通信波段的收发一体光学系统,发射与接收模块共用部分光路,以减小接收视野盲区,同时有利于结构小型化。为解决不同测量距离、不同表面倾角造成的回波能量差异问题,将光学系统的扩束组件设计成放大倍率为2×~3.5×的连续可调结构;使用两组双胶合透镜进行色差校正,以降低光谱宽度对系统传播距离的影响。经设计优化,系统准直后的激光发散角小于0.3 mrad,出射光斑直径在6.26 mm~10.20 mm连续可调,对于50 m内的测量目标,照射光斑直径均小于20 mm,且在不同变焦位置发散角和光斑直径均满足设计要求。     

红外双波段目标模拟器方案与光学系统设计

通过对传统双波段目标模拟器的工作原理进行分析,针对其结构复杂以及生产成本较大的问题,提出一种只使用一套景象生成器和投影系统的双波段目标模拟器设计方案。利用分振幅的方法,通过滤光片和遮光片的遮挡滤光作用使2个波段的能量按特定的比例透过,在特定的积分时间下,探测器探测到2个波段的能量比不同,以此模拟不同红外目标。对设计方案中的投影系统进行光学设计,光学系统属于透射式,工作波段在3.3 m~3.8 m和4.4 m~4.8 m,F数为3.2,半视场角为1.1,系统分辨率达到10 lp/mm,对300 K~3 000 K的黑体、灰体或选择体均可实现红外目标的模拟,同时模拟器产生的辐射能量也大于探测器探测到的最小能量,设计方案可行。     

宽谱段红外消热差光学系统设计

宽谱段红外光学系统可以获取宽谱段的图像信息并增大目标信息获取程度。从红外光学系统的简洁性出发,对红外光学系统进行设计,系统仅由4片球面透镜组成,实现了4.4 m~8.8 m波段清晰成像, F#为2.68,达到了100%的冷光阑效应。采用被动消热差方式通过合理选择镜片材料及公式推导最终实现了各个波段内的消热差,镜筒材料为钛合金,透镜采用硒化锌（ZnSe）,锗（Ge）及硫化锌（ZnS）材料,给出20 lp/mm处系统在各个波段在-40 ℃~60 ℃的工作温度下的调制传递函数（MTF）,以及各个波段下的光学系统畸变值。实验结果表明:设计的宽谱段红外光学系统结构简单,满足设计要求。     

Design and analysis of the four-mirror optical system

Based on the methods to design the three-mirror reflective system, the aberrations formulae for the four-mirror optical reflection system have been deduced and presented for the first time. The diversity of parameter ranges for the designed system for different structures is also studied to select the parameters to obtain the practicable initial structure. Example designs with proposed methods are presented here and their performance evaluations demonstrate that the image qualities of these examples attain the diffraction limits.     

极大口径光学望远镜凸非球面副镜的补偿检测法研究

提出了一种检测大口径、快焦比凸双曲面反射镜的补偿检验方法,补偿系统由一组小透镜和一块大口径反射标准镜组成,标准镜的口径约为被检验镜的1.8倍,该方法为极大口径光学望远镜凸非球面副镜的检验提供了一种有效的解决方案。以美国30 m望远镜（TMT）3.1 m,F/1的凸双曲面副镜为例,进行了补偿光路的设计优化。设计结果表明,该方法可以直接检测到直径达3.1 m的大口径、快焦比凸双曲面副镜的整个表面质量,补偿系统像差被校正得很好,PV值约为/100,弥散斑直径在衍射极限范围内。     

菲索式合成孔径望远镜光学系统设计

设计了菲索式合成孔径望远镜光学系统,用3个小口径子孔径合成大口径以获得等效大口径的分辨率。首先,兼顾空间频率u-v覆盖和结构简单化,选择子孔径排列方式为Golay-3阵列,填充因子F=0.44。然后,依据光学系统结构特性,将光学系统分成子孔径、光束控制器和光束组合器,分别进行光学设计。无焦式子孔径采用后接双胶合消色差透镜的卡塞格林结构,孔径为300 mm,视场为0.2°,角放大率为10。光束组合器为五片式结构,采用高折射率玻璃和特殊部分色散玻璃,焦距为600 mm,F/#=6,视场为2°。分析总系统点扩散函数和调制传递函数显示：总系统等效口径为子孔径口径的1.89倍,总系统角分辨率为0.24″。     

新型小型化牙科扫描仪探头的光学系统设计

为解决牙科扫描探头小型化问题,基于结构光三维重建算法,创新性地设计出一种投影与成像共孔径设置的小型化牙科三维扫描仪探头光学系统。系统采用分视场共孔径技术,部分视场用于实现投影功能,另一部分视场用于实现成像功能,投影区域和成像区域存在公共区域。仿真实验给出了在扫描范围为46×35mm2内的系统性能,借助LightTools软件做了照明分析仿真,证明了系统光路的可行性。     

40×大变倍比宽波段连续变焦光学系统设计

为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪,光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦,并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等,并在确定了相关技术参数的基础上,设计了一种变倍比为40^×的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜,易于加工,成像质量较好,各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2,并且凸轮曲线平滑,无拐点,杂散光控制较好,对系统影响很小。最后通过外景试验测试,该系统光轴一致性小于0.1 mrad,系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求,为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。     

大相对孔径紫外成像仪光学系统设计

为解决目前大多数紫外成像仪存在的定位和指向精度差、色差较大、分辨率及光能利用率不足等问题,设计了一款高分辨率的大孔径消色差紫外光学系统。首先,根据电晕放电检测的应用需求,提出了紫外光学系统的总体设计。然后利用熔石英及氟化钙两种材料的不同色散特性,根据改进的双胶合透镜结构设计了一款大孔径的消色差紫外光学系统,并对该系统进行了公差分析。设计的紫外光学系统在全视场全探测范围内点列图均方根直径0.08 mm,分辨率为20 lp/mm,满足电力行业中对电晕探测的需求。     

双波段大变倍比连续共变焦光学系统设计

为了提高变焦光学系统在复杂环境下的高分辨率探测能力,解决现有多波段光学系统中光路转换和波段切换耗时长、系统反应慢、不同波段目标信息存在差异的问题,设计了一种可见光(0.38~0.76μm)、中红外(3~5μm)共口径连续共变焦光学系统,系统工作焦距为7.52~98.35mm,变焦比为13×.基于正组补偿变焦理论分析了任意变焦位置处可见光、中红外变焦比的差异及其变化规律,推导了三片薄透镜消色差理论和双波段焦距补偿表达式.对变倍组和补偿组的光焦度进行合理匹配,使系统在任意变焦位置处的焦距及变焦比都相同,提高了双波段目标信息的一致性.根据使用要求,采用光学被动式完成双波段光学系统在-40~+60℃温度范围内的消热差设计.设计结果表明,系统结构紧凑,反应速度快,整体成像质量良好,可实现昼夜全天候工作.     

用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上,使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式,本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统,接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统,其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源,利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统,获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后,传输至0.5~5 km处的光斑分布情况,且激光波前像差RMS值均优于λ/20;对于接收系统,由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限,其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6,最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理,性能可靠,满足高能激光系统的工程应用需求。     

高变倍比红外变焦距光学系统设计

 采用长波160×120元非制冷焦平面阵列探测器,设计了工作于8μm～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统,该系统具有大相对孔径,F数为1.2,变倍比10×,高成像质量等特点。系统使用锗和氯化钾两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差和高级像差,在中焦时采用平滑换根快速提高变倍比。系统在空间频率17lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数（MTF）均在0.55以上,接近衍射极限;系统在接收半径17μm的探测器敏感元内,能量集中度大于72%,表明该系统具有良好的成像质量。     

基于数字信号处理技术的连续变焦镜头控制系统设计

针对以往连续变焦镜头控制系统存在的速度响应慢、准确度低等缺点,对连续变焦镜头及其控制系统的设计方法进行改进.采用机械补偿的变焦距镜头理论,确定变焦距系统位移曲线.基于数字信号处理技术和步进电机的控制技术,设计了包括数字信号处理器、步进电机、步进电机驱动器、键盘控制、计算机通信、液晶显示模块为一体的控制系统,同时对变焦距...     

高精度保偏光纤偏振测试系统的设计

介绍了保偏光纤的偏振串音和h参数以及它们的相互关系。给出了高精度起偏系统和检偏系统的光路结构。对影响测试精度的各种因素进行了详细分析,并使用自制的测试系统对国内几个单位生产的保偏光纤进行了测试,得到了理想的测试结果。其中,2m长的保偏光纤的偏振串音达到了-50dB以下,其测试精度达到了国际先进水平。     

双目大出瞳直径光学系统观察舒适性设计

通过介绍人眼双目视觉的原理,重点对双目大出瞳直径光学系统中会聚角和聚焦差的影响进行了分析,剖析了其影响舒适性观察的因素和设计误区,指出设计双目大出瞳直径光学系统时应考虑不同瞳距以及非零视度观察仪器的情况,避免会聚角太大或为负值。会聚角应控制在（0~4 ）m-1（光焦度）范围内;而聚焦差越小越好,不应大于2 m-1。     

红外相机共孔径双波段成像光学系统

针对双波段成像系统可以有效提升红外相机的目标探测与识别能力,选择了折反射式双波段系统结构形成,提出共孔径分光路中波红外和长波红外双波段成像光学系统。2个谱段共用卡塞格林主光学系统,采用分色片实现双谱段分光。分光后2个谱段采用相互独立的中继透镜组, 通过二次成像,实现双波段冷光阑100%匹配。2个谱段焦距均为800 mm,工作谱段为3.7 m～4.8 m和7.7 m～10.3 m,中波和长波的F数分别为2.3和2.8,视场角为1.2,该光学系统各谱段在各自乃奎斯特频率处调制传递函数接近衍射极限,可满足实际使用需求。     

短焦距变焦物镜设计

介绍了机械补偿式三组元连续变焦系统设计方法;基于微分解析法,提出快速变焦法用于优化系统高斯初始结构,减小了外形尺寸.并设计了一焦距3.87 mm～19.35 mm,视场76.6°～17.71°可见光变系统.设计结果表明：该变焦系统较之同类专利设计结果,具有结构紧凑、视场大、像面稳定度高的优点.