航天CCD相机焦面位置地面标定方法研究

为了在地面试验阶段准确标定出航天CCD相机在轨成像时的像面位置,提出了一种基于自准直干涉测量原理和调制传递函数测量原理的航天CCD相机焦面位置的地面标定方法。介绍了该方法的原理和实施过程,并以口径1 m、焦距20 m的平行光管标定口径600 mm、焦距6 m的航天CCD相机为例,分析并计算了新标定方法和已有标定方法的标定精度。结果表明:新标定方法的标定精度优于0.006 mm,是已有标定方法标定精度的5倍至10倍,能够满足现阶段所有航天CCD相机的焦面位置的标定精度要求。     

大F数长焦距空间相机光学系统设计

随着空间技术的不断发展,地元分辨率不断提高,空间相机光学系统的设计不断提出新的要求。分析了长焦距空间相机光学系统设计过程中需要考虑的问题,研究了大F数、长焦距空间光学系统的设计原理,并进行了光学系统设计。设计了谱段位于500~800 nm,焦距f=7200 mm,F=14.4的大F数、长焦距的折轴三反光学系统。结果表明,光学系统视场角达到1.6°,在450 km的轨道上,地面幅宽可以达到12.5 km,像元尺寸为10μm时,地面像元分辨率达到0.62 m,当中心遮拦为6%时,Nyquist频率(50 lp/mm)处调制传递函数(MTF)优于0.38,成像质量达到衍射极限,光学系统畸变量优于0.5%,可以满足高分辨率空间相机对地观测的使用要求,同时也验证了大F数、长焦距光学系统的设计原理。     

离轴反射式航天CCD相机镜头焦距的测量方法

为了实现离轴反射式航天CCD相机镜头焦距的精密测量,同时降低传统测量方法对大口径长焦距准直管和大型精密旋转平台等昂贵测量装置的依赖,研究了离轴反射式航天CCD相机镜头焦距的测量方法.改进了基于精密测角原理的焦距测量方法,测量装置主要由电子经纬仪和测量显微镜组成;分析比较了该测量方法与传统测量方法的优缺点;建立了该方法求解离轴反射式相机镜头焦距的数学模型和误差分析模型.实际测量结果表明:该方法所使用的测量装置简单易得,节约了测量成本;测量精度达到10-2 mm量级,可以满足非测绘用途的离轴反射式航天CCD相机镜头焦距的测量精度要求.     

基于大面阵CCD的复消色差航空相机物镜设计

为了满足航空相机物镜结构简单及高分辨率的要求,提出了一种基于波差法校正长焦距、宽波段的大面阵CCD航空相机物镜二级光谱的方法.介绍了二级光谱的基本原理,给出了波差法设计复消色差物镜的方程组.采用普通光学材料设计了复消色差航空相机物镜,系统焦距为400 mm,相对孔径为F/4,工作波段为420～850 nm.给出了光学系统图、纵向像差图及调制传递函数图.设计结果表明,采用该方法设计的航空相机物镜在60 lp/mm处各视场传递函数均在0.75以上,满足接收器件有效尺寸为36 mm×48 mm的大面阵CCD成像要求.     

高分辨PAL成像系统的设计研究

基于全景环形透镜的成像技术是全景成像中的一种最具潜力的成像方式,具有高分辨率的长焦距全景环形透镜成像系统光学结构较复杂,结构设计是首要解决的问题.本文根据全景环形透镜成像系统的光路结构及成像特性,详细讨论了全景环形透镜和转像透镜组两部分的设计方法,分别设计了单块全景环形透镜和复杂化全景环形透镜,并对它们的像差特性做了对比,分析了它们之间的光路衔接条件和像差补偿方案.该设计采用小尺寸CCD离轴扫描接收环形像,同时分析了这种扫描机构的可行性.系统要求在300m处需分辨250mm大小的物体,通过计算合理地选择了系统焦距和CCD型号并制定了一套技术指标.最终设计出了焦距8mm,F/#3.2,侧向视场40°~100°的高分辨全景环形透镜成像系统,系统由三胶合结构的全景环形透镜和8片6组的转像透镜组构成,所有表面均为球面.该系统全视场的调制传递函数在80lp/mm处均高于0.5,最大视场像面的相对照度高于0.95,全视场f-θ畸变在±3%以内,该设计很好地满足了使用要求.     

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。     

一种工作于长波红外波段的40×成像物镜设计

为了同时满足热成像领域高分辨率与大探测范围的应用需求,基于机械正组补偿变焦理论,以一款长焦物镜为原型并采用浮动光阑结构,设计了一款高分辨率、高倍率的长波红外成像系统.系统的F数为1.2,变倍比为40×,焦距变化范围为5.86 mm～234.76 mm,无热化温度范围为-40℃～60℃,适配像元尺寸为12μm的长波红外焦...     

高分辨率空间相机共轴三反光学系统实现形式研究

为了设计出高分辨率空间相机的光学系统,研究了反射式光学系统中存在次镜对主镜的中心遮拦等问题.通过对共轴三反射光学系统结构参数和最终视场在像面上的分布情况的分析,提出了半视场、全视场和环形视场3种光学形式,设计了焦距为3000mm、F数为10的3种形式的共轴三反光学系统.设计结果表明:3种共轴三反光学系统在有效视场角内成像质量均接近衍射极限,可以满足高分辨率空间相机不同的使用要求,指出半视场共轴三反光学系统适合于线阵CCD推扫成像,全视场共轴三反光学系统可用于面阵CCD凝视成像,环形视场共轴三反光学系统可实现一台相机上全色和多光谱成像的要求.     

一种大视场高分辨率的复眼光学系统设计

针对传统无人机载成像系统无法实现大视场与高分辨率共存的问题,设计了一款大视场高分辨率无人机载复眼相机系统,该相机由曲面子眼阵列、光学中继系统和图像探测器三部分组成。中继系统使用了非球面设计,减小了系统体积。单个子眼焦距为20 mm,视场角为10°,中继系统为一鱼眼透镜,焦距为7 mm,可将子眼阵列所成焦曲面像转为平面像。总系统视场达到122°×106°,F数为3,焦距为3 mm,在飞行高度1 000 m时对地分辨率为0.8 m。仿真结果显示,各个光学子通道调制传递函数（modulation transfer function, MTF）在208 lp/mm处均大于0.3,系统在给定的公差范围内像质能够满足要求。与现有无人机载复眼系统相比,该文设计的系统视场更大,分辨率更高,且体积更小。     

用于光具座自动测量焦距的变焦光学系统设计

为了提高光具座自动测焦距时的测量精度,设计一套连续变焦光学系统。该系统包括自准直组件和变焦组件两部分,可以调节CCD靶面上接收到的图像大小,得到最佳测量结果。根据设计指标要求,在控制系统总长的基础上进行初始结构选择和像质优化。设计完成后的自准直组件焦距200 mm,变焦组件焦距200 mm~20 mm,对接后的变焦系统可实现图像大小1~10连续调节。模拟实验表明:变焦系统像质良好,MTF曲线接近衍射极限,弥散斑小于CCD像元大小,可以满足实际检测需求。     

Large‐aperture prism‐array lens for high‐energy X‐ray focusing

A new prism‐array lens for high‐energy X‐ray focusing has been constructed using an array of different prisms obtained from different parabolic structures by removal of passive parts of material leading to a multiple of 2π phase variation. Under the thin‐lens approximation the phase changes caused by this lens for a plane wave are exactly the same as those caused by a parabolic lens without any additional corrections when they have the same focal length, which will provide good focusing; at the same time, the total transmission and effective aperture of this lens are both larger than those of a compound kinoform lens with the same focal length, geometrical aperture and feature size. This geometry can have a large aperture that is not limited by the feature size of the lens. Prototype nickel lenses with an aperture of 1.77 mm and focal length of 3 m were fabricated by LIGA technology, and were tested using CCD camera and knife‐edge scan method at the X‐ray Imaging and Biomedical Application Beamline BL13W1 at Shanghai Synchrotron Radiation Facility, and provided a focal width of 7.7 µm and a photon flux gain of 14 at an X‐ray energy of 50 keV.     

大工作距大相对孔径高分辨率的改进型Dyson光谱成像系统设计

基于反/折射球面罗兰圆建模和宽波段Dyson象散校正方法,解释了大相对孔径高光谱分辨率的Dyson光谱成像系统存在的大工作距设计难题。从工作距的角度,比较了已有文献中报道的三种Dyson光谱成像系统改进思路。在大工作距要求下,采取第一种思路,即在传统型Dyson光谱成像系统结构基础上,引入球面弯月透镜和平面-非球面透镜。建立了平面-非球面校正透镜的三阶像差模型,给出了改进型Dyson光谱成像系统。设计结果表明:改进型Dyson光谱成像系统具有12mm工作距,F/1.8相对孔径,在0.38~0.9μm谱段范围内光谱分辨率约为0.45nm,以及接近衍射极限的优良成像性质,MTF在全波段全视场100lp·mm~(-1)线处大于0.7,最大像面均方根值半径小于1.2μm。同时,系统的Smile(谱线弯曲)和Keystone(色畸变)得到了很好的控制,保证了获取光谱数据的一致性。改进型Dyson光谱成像系统具有大相对孔径和高光谱分辨率的特点,而且系统焦平面探测器和系统入射狭缝两者的彼此间隙位置合适,易于装配。解决了传统型Dyson光谱成像系统实际应用中工作距不足的问题,可为大气遥感、农林调查、海洋生物等领域的高光谱成像信息探测提供一个新型的高光谱成像系统,对光谱成像系统的发展具有良好的促进意义。     

新型大面阵彩色CCD航测相机光学系统设计

介绍了一种有别于传统彩色航测相机的新型大面阵彩色CCD航测相机设计方案,该相机光学系统由Dalsa公司最新生产的6K×8K大面阵彩色CCD作为接收器.通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化,给出了工作波长适应范围为0.46～0.70μm、焦距为360mm、视场角为10°、相对孔径为1∶4.3的设计实例.设计结果表明...     

CCD航空相机动态分辨率检测系统设计

设计了一套CCD航空相机动态分辨率检测系统,系统入瞳直径D=200 mm,焦距f′=2 000 mm,视场角2ω=5°,利用光学设计软件Zemax进行仿真,设计结果表明,在奈奎斯特频率为40 lp/mm的情况下,调制传递函数曲线值均高于0.5。采用波差法校正由长焦距所引入的二级光谱,同时,引入分辨率尺的概念,将每一块单独的分辨率板采用拼接的方式制作成300 mm×24 mm的分辨率尺,令分辨率尺在电机的带动下作匀速直线运动来模拟动态目标。该测试系统的设计能够在模拟飞机飞行的状态下,对其动态分辨率进行检测,检测精度1″, 可广泛用于测绘、军事侦察和航空航天等领域。     

高变倍比大相对口径长波红外变焦系统设计

针对传统红外连续变焦系统难以同时满足高变倍比和大相对口径的使用要求,通过采用复合变焦光学系统结构,增加传统红外连续变焦光学系统的变焦距范围和相对口径。基于长波红外320×240像元、25 μm×25 μm非制冷焦平面探测器,设计了一款高变倍比大相对口径长波红外变焦光学系统, 光学系统由一个连续变焦部分与两档变焦部分组成,通过引入衍射光学元件校正长焦端色差,工作波段为8 μm~12 μm,焦距变化范围为-9 mm~-272.25 mm,F数为1.4。该系统具有成像质量好、变倍比高、相对口径大、导程小和凸轮曲线平滑等优点。     

基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计

为满足航天应用中仪器小型和轻量化、大视场的观测要求,通过分析现有Offner成像光谱仪,给出了一种简单的采用凸面光栅设计成像光谱仪的方法。并据此方法设计了一应用于400 km高度,波段范围为0.4~1 μm,焦距为720 mm,F数为5,全视场大小为4.3°的分视场成像光谱仪系统。分视场采用光纤将望远系统的细长像面连接到光谱仪的三个不同狭缝而实现。三狭缝光谱面共用一个像元数为1 024×1 024,像元大小18 μm×18 μm的CCD探测器。通过ZEMAX软件优化和公差分析后,系统在28 lp·mm-1处MTF优于0.62,光谱分辨率优于5 nm,地面分辨率小于10 m,能很好的满足大视场应用要求,该光学系统刈幅宽度相当于国内已研制成功的同类最好仪器的三倍。