高精度LCOS动态星模拟器的光学系统设计

针对高精度星敏感器对其功能测试设备精确模拟星点位置和星等的实际要求,设计了一种硅基液晶(LCOS)型高精度动态星模拟器的光学系统。分析星模拟器准直与照明光学系统的任务需求并给出了设计方案。为提高模拟器的成像精度,提出了LCOS的光学拼接方法,详细设计了大视场、大相对孔径、大出瞳距离的准直光学系统并进行了像质评价;为同时满足显示器件的照明条件和-1~7等星的准确模拟,对照明光学系统进行了详细设计并给出了仿真结果。提出了一种动态星模拟器星点位置修正方法,通过实验测试,动态星模拟器的星间角距误差优于12″,精确模拟-1~7等星,满足当前对高精度星敏感器的检测需要。     

大视场高精度静态星模拟器的光学系统设计

针对星敏感器系统的地面测试要求,设计一种大视场高精度静态星模拟器。根据静态星模拟器的工作原理,确定模拟器具有出瞳外置的准直光学系统。结合技术指标,在Zemax平台上优化设计了具有良好成像质量的光学系统,设计结果为:系统焦距99.988 mm,视场达到Φ39°,畸变小于0.1%,实现高精度静态星模拟器精确模拟星点。提出了依照光学系统像差确定星点板上各星点刻划位置的方法,避免多次刻划星点板的过程。对设计的系统进行测试,从测试结果看:设计的大视场星模拟器的成像精度达到15″,可以满足对星敏感器地面标定的使用需要。     

大视场曲面仿生复眼光学系统设计

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题,设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先,针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式,建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型;再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题;并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°,组合系统的焦距为61.14 mm,角分辨率为2.304″,系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言,此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。     

新型多功能目标模拟器光学系统的设计

针对现有目标模拟器不能用于多传感器光电设备调焦调轴过程、无法满足其装调需求的问题,设计仿真了一种新型多功能目标模拟器光学系统。本文确定了该目标模拟器的光学方案,采用了中波红外、长波红外、激光、可见光多波段共孔径复合形式,对各分系统进行了详细设计和仿真。作为多传感器光电设备焦距调试以及各波段光学系统光轴一致性调试过程中的核心设备,该目标模拟器可以为其提供调焦和调轴基准并提高调焦和调轴精度,该目标模拟器集成度高、结构紧凑、小巧便携,便于后续自动化扩展。     

水下大视场连续变焦光学系统设计

针对现有水下光学系统中存在的主要不足,就某大视场水下连续变焦光系统指标要求,从水下光窗选型、光窗畸变、色差等的影响入手,分析了水下平板光窗引入的相对畸变和倍率色差特性,给出了相应的应对措施。结合水下工况对包络和工作距的要求,给出了一种三组联动的变焦系统设计模型和相应调跟焦组件的设计方法;通过在PNNP型结构中引入像差稳定镜组,对动态像差做稳定和补偿,改善了光学结构的像差校正能力,同时规避了凸轮曲线断点问题;通过在物方侧镜组中设置调跟焦镜组,保证了变焦全程对近景目标的清晰成像。完成了一个4 K水下大视场连续变焦光学系统设计,该系统工作距为0.5 m~inf,设计波段为0.48~0.64 μm,采用3840×2160高灵敏CMOS面阵探测器,像元大小为2 μm,变焦全程F数最大恒定为2.8,可实现全视场5.9°~62°、10倍以上连续变焦功能,具有较短的变焦行程、平滑的变焦轨迹、优良的成像性能等优点。     

地面景物模拟器的光学系统设计

为了使CCD立体相机与干涉成像光谱仪在发射前能够快速检测图像质量,设计并研制了一种应用于CCD立体相机与干涉成像光谱仪共用的地面景物模拟器光学系统.介绍了地检景物模拟器的光学系统方案,根据实际使用要求,确定了地面景物模拟器光学系统的设计参数.该系统焦距为150 mm,视场角为10°,空间分辨率为36lp/mm,光谱适应范围为0.48 ～0.96 μm.设计结果表明,地面景物模拟器光学系统对被检CCD立体相机与干涉成像光谱仪的图像质量几乎没有影响.其奈奎斯特空间频率上的MTF与CCD立体相机和干涉成像光谱仪的MTF值几乎一样.为验证光学成像探测系统CCD立体相机与干涉成像光谱仪的光机及电子学系统的状态是否正常提供了依据.     

红外目标模拟器动态校准系统光学系统设计

基于红外目标模拟器动态校准系统的应用场景,分析了动态校准系统光学系统的设计特点,指出光学系统应选择折反式二次成像光路结构。基于经典的光学系统无热化原理,以光机材料精密搭配与计算为基础细化了该折反式光学系统的无热化方法,基于该方法设计了F/2、焦距370 mm、工作波段3.7~4.8m、总长为182 mm的光学系统,光学系统采用512512、15m15m规格的斯特林制冷式探测器,光学系统在-40~60℃范围内成像质量接近衍射极限。建立了光学系统鬼像和冷反射分析模型,分析结果表明:光学系统杂散光抑制能力较强、性能优异,满足红外目标模拟器动态校准系统在复杂恶劣环境下的使用要求。     

宽视场有增益光学系统设计

从激光探测告警光学系统的视场和光学增益出发,分析了浸没透镜的光学增益和像差特性。针对激光告警设备设计了宽视场有增益光学系统:视场角30°,光学增益可达20倍以上,结构简单,对降低激光辐射源功率、增强探测距离有一定的意义,经分析该方案可行。     

大视场离轴三反光学系统设计

针对地球环境遥感的大视场和宽 光谱的应用需求,在同轴三反光学系统的基础上,通过 视场离轴实现了无中心遮拦,并设计了一种焦 距为120 mm、F数为3.5、工作波长为0.4~1.65 μm、像元尺 寸为7.5 μm以及采用Cook三片式结构的光学系统。在没有使用自由曲 面的情况下,实现了30°×4°的大视场。其中,主镜为六 次双曲面,次镜为二次扁椭圆面,三镜为四次扁椭圆 面。在全视场范围内,该系统在奈奎斯特频率处的调制传递 函数(Modulation Transfer Function, MTF)大于0.6,接 近衍射极限。其弥散斑直径的均方根值小于探测器的像元尺 寸,畸变小于2.5%,说明本文系统具有优良的成像性能。     

大入瞳距双通道红外投影系统设计

由于受光学系统结构和使用条件的限制,红外投影仿真系统要求目标/干扰发生器共用一个光学系统,入瞳距大于1000 mm,光学件质量小于等于3 kg,体积限制在Φ250 mm×480 mm范围内.在原理设计上,采用无焦系统与后聚焦镜组的复合方式,在平行光路中加入平面耦合镜,实现了在大入瞳距条件下,目标/干扰共用同一光学系统的设计.此外,系统中采用了两个非球面,保证了系统在较少的光学零件情况下具有优良的像质和要求的透过率.同时,只需沿轴移动最后一组透镜,就可以实现调焦.最终设计结果为:全系统共有11个光学零件,质量约2.5 kg,入瞳距1050 mm,最大口径为220 mm,全视场MTF大于等于0.7,90%能量集中在20 μm 弥散圆内,满足了系统要求的各项技术指标.     

Design of an optical receiving antenna with high gain and large field of view for indoor visible light communication

In order to meet the requirements of the high gain and wide field of view (FOV) for indoor visible light communication (VLC) system, a new optical receiving system is proposed, which integrates a Fresnel lens with a hemispherical lens. The effects of the two lenses’ spacing and the radius of the hemispherical lens on the optical gain at different FOV are investigated. As the FOV increases, the designed antenna displays enhanced reception performance compared with the traditional receiving optical antenna. The optical gain of the designed antenna is 6.88 in the condition of FOV of 40°. To further verify the rationality of the designed antenna, a model of VLC system is established based on the designed antenna in a room with a size of 5 m×5 m×3 m. The results show that the received average power using the designed antenna increases by 22.81 dBm, and the average signal to noise ratio (SNR) is 2.3 times of that without any optical antenna. The designed antenna is promising for the application in indoor VLC systems.     

超大视场红外光学镜头设计

超大视场红外光学镜头在军事上主要用于对来袭目标进行告警,相比于常规红外光学系统,其设计具有许多不同的特点。结合实际工程应用,在投影方式、光学构型、像面照度、视场、无热化、评价方式等方面对超大视场红外光学系统设计的特点进行分析。给出了一个具体的设计实例,所用探测器采用1 024×1 024@15 μm制冷型中波红外探测器,光学系统工作波段3.7～4.95 μm,焦距9.6 mm,视场116°,仅采用4片透镜实现无热化设计,不含衍射面,工作温度覆盖范围?55～+70 ℃,镜头结构紧凑,总长度小于70 mm。像质评价结果表明:全视场单个像元角分辨率均匀性95%以上,单个像元能量集中度在75%以上,光学系统边缘视场照度为中心视场照度的90%以上。     

红外动态场景目标模拟器系统设计

红外动态目标模拟器系统是红外制导武器半实物仿真系统中的核心设备,具有重大的军事和经济意义.以某空地导弹成像导引头半实物仿真系统为应用对象,采用微反射镜阵列(DMD)为核心器件,设计开发了基于DMD的大场景红外动态目标模拟器系统.针对模拟器系统的分辨率、对比度、最小可分辨温差、灰度等级等关键技术指标,对DMD芯片的信号解...     

大视场可见红外一体化光学系统设计

使用光学设计软件设计了一种大视场可见红外一体化反射式光学系统,可见光和红外视场的大小分别为5.2和5.12。在光学系统的轨道高度为675 km的情况下,可对地面目标进行61.3 km和60.36 km的大幅宽观测。在光学系统采用偏视场设计将可见光和红外光的视场进行分离,可以实现双光路、双波段、双视场同时成像观测,避免了使用分光装置对光能量吸收造成损失,提高了光能利用率。可见光系统选用一个焦距为9 000 mm的三反系统,红外光学系统选用两个三反系统,后置三反系统的入瞳与前置三反系统的出瞳位置重合,系统总焦距为2 025 mm。经过优化,可见光系统的MTF在50 lp/mm达到0.45以上,红外系统的MTF在25 lp/mm达到0.65以上,成像质量均达到衍射极限。     

便携式实时红外动态场景仿真器设计与实现

传统的基于PC机实现的红外动态场景仿真器,实时性能差,且体积庞大,不适合外场试验。本文设计并实现了一种便携式实时红外动态场景仿真器,该仿真器以ADSP-TS201 DSP作为核心处理器,运行红外动态场景生成算法;利用FPGA实现数据输入输出,负责输出红外图像给后端信号处理设备,并接收其反馈信号;以CY7C68013A控制器扩展USB接口,作为上位主机接口,用于监控仿真器运行。文中详细介绍了该仿真器的设计与实现,并给出了实验结果。     

长焦距高分辨率红外两档变焦光学系统设计

针对中波制冷型640512凝视型焦平面探测器,设计了一款长焦距高分辨率中波红外两档变焦光学系统。该系统工作波段为3.7～4.8 m,F数为4.0,长焦距为800 mm,短焦距为400 mm,采用二次成像技术不仅减小了前固定组镜子的口径,而且实现了100%冷光阑匹配。系统采用锗和硅两种红外材料,通过引入非球面来校正轴外像差和高级像差。设计结果表明,系统在33 lp/mm处,短焦距和长焦距的传递函数值均优于0.2,全视场畸变小于0.5％,具有结构紧凑、分辨率高、像质好等优点。     

大视场视频图像采集及SDI显示设计

针对Camera Link接口的大视场高速相机的图像实时存储显示及实时跟踪显示的实际需求,设计了一种基于FPGA的大视场视频图像采集及SDI显示系统.采用了Altera公司的FPGA EP2S90F1020为核心处理器件,外接两片SDRAM MT48LC4M32的硬件系统.提出了基于FPGA的图像实时缩放、Bayer格...