二维调制传递函数及其在波前差检测方面的应用

光学系统像质分析在光学系统设计、加工和装调过程中具有重要意义.像质分析常用的方法有调制传递函数法和波前差法.对于高分辨率光学系统,传统的一维调制传递函数由于只提供了一维空间频率信息,因此在像质检测时有一定的局限性.本文基于随机数图像的傅里叶功率谱密度理论,提出了一种利用随机数图像作为目标物来测量成像光学系统二维调制传递函数的方法;通过利用NewtonCotes求积公式,对有像差系统的光学传递函数计算公式做进一步推导,提出了利用实际成像光学系统的二维调制传递函数值直接计算系统波前差的算法.实验结果表明,二维调制传递函数较之一维调制传递函数更能真实地反应成像光学系统的成像性能;利用二维调制传递函数计算得到的波前差与理论波前差在轮廓上有较好的一致性,可以作为实际系统波前差分析的一条新途径.     

航空光电成像系统像移补偿技术研究

航空光电成像系统由于像移的存在导致成像分辨率下降,严重影响航空光电系统的整机性能。采用像移补偿技术可以提高航空光电系统成像质量。分析了移动探测器像移补偿技术原理与运动光学元件像移补偿技术原理,重点研究了基于快调反射镜(FSM)的高精度像移补偿技术。通过工程简化分析,分别推导了快调反射镜位于平行光路和会聚光路的像移补偿随动角度规律,并针对会聚光路中快调反射镜带来的离焦量进行分析,讨论了离焦量对光学系统波像差的影响。仿真结果表明,随着离焦量的增加,波像差呈线性增大趋势。通过分析光学系统波像差对其光学调制传递函数（MTF）的影响,结果表明F数等于8,在奈奎斯特频率处,当离焦量在0.1 mm以内,光学调制传递函数MTF的下降量在26.6%以内。     

波前编码系统景深延拓性能研究

波前编码景深延拓技术是在非相干光学系统的出瞳处加入三次位相板,对成像进行解码处理而获得清晰图像以扩大光学系统景深的技术.文章通过深入研究波前编码光学成像系统的调制传递函数(MTF),分析离焦量和位相板的调制系数对MTF的影响,并通过数值计算和曲线拟合得到位相板调制系数、系统带宽、景深延拓性能之间的关系.该研究成果为位相板的调制系数的选择和景深延拓光学系统的设计提供依据. 关键词： 波前编码 景深延拓 调制传递函数 三次位相板     

光学镜头成像质量研究

调制传递函数(MTF)是评价光学系统质量的重要指标,利用MTF曲线以及点光源的弥散斑2种方法测量主要像差分别为彗差、球差的光学透镜成像质量,运用ImageJ和ZEMAX软件进行数据处理和理论模拟,将理论和实验相结合,直观展示彗差和球差相关性质.     

AOTF光谱相机前置变焦光学系统设计

基于声光可调谐（AOTF）光谱相机的技术指标和性能要求,采用机械正组补偿方式,实现了10可见光波段连续变焦光学系统的设计。详细介绍各组元的光焦度分配和初始结构的计算过程,并用Zemax光学软件进行设计,对设计结果进行了像质评价和像差分析,并对凸轮曲线进行求解。设计和分析结果表明:该系统在0.38 m~0.7 m波段实现了30 mm~300 mm连续变焦,在空间频率50 lp/mm处调制传递函数（MTF）值最大达到0.7。该系统可工作在可见光波段,具有变倍比大、变焦曲线平滑的特点,能够满足光谱相机的成像要求。     

推扫式光电成像系统调制传递函数测试装置的设计

光学遥感系统采用线阵CCD推扫成像方法获取地面景物的高分辨图像信息,调制传递函数(MTF)是评价系统成像质量的重要参数。使用矩形波板作为目标在Nyquist频率处测试光电成像系统的静态调制传递函数可以定量评价系统的成像质量。由于采用线阵CCD推扫成像的光电系统还需要测试其在像移补偿、偏流角控制状态下的动态调制传递函数(Dynamic MTF),才可以定量评价系统在工作状态下的动态成像性能。为此,论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理,研究了测试系统的组成与工作方法,对其中的平行光管组件与动静态目标发生装置进行了仿真设计。其中平行光管的波像差优于25 nm(RMS),静态目标发生装置的调焦精度优于3 m,动态目标发生装置的输出像移补偿偏差小于5/1 000,照明均匀性优于95%,可以理论上实现非相干照明。上述仿真设计结果可以满足新型光学遥感成像系统实验室内动静态调制传递函数的测试需求。     

应用波像差理论计算鱼眼镜头调制传递函数

基于平面对称光学系统的波像差理论,给出了鱼眼镜头各类像差的波像差计算表达式,利用自相关积分法计算了它的调制传递函数,采用8节点的高斯-勒让德数值积分方法求解了其自相关积分;分析了鱼眼镜头倍率色差对确定空间频率光栅的相位改变量,给出了C(656.3nm)、D(589.3nm)、F(486.1nm)离散光谱的倍率色差的调制传递函数计算表达式.利用本文方法和Zemax快速傅里叶变换法分别计算两个鱼眼镜头系统的调制传递函数,并进行了对比.结果表明,对于中小孔径的鱼眼镜头成像系统,本文方法和仿真得到的结果较好地吻合.     

大相对孔径红外消热差物镜设计

研究了大相对孔径光学系统的设计方法,讨论了光学设计初始的光焦度分配计算,设计了F数为0.9的大相对孔径红外消热差物镜。建立了由多个光组构成的组合光学系统的消热差模型,结合光学系统的结构型式和所选择的光学材料组合,获得了初始的光焦度分配,利用计算机辅助优化设计完成了像差校正。环境温度分析表明,在-40～60℃,该物镜成像质量稳定,调制传递函数（MTF）接近衍射极限。实际设计结果与理论计算结果相符合。     

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。     

2.5 keV能点多层膜KB显微镜成像性能

研究了Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜成像系统的结构设计、元件制备。通过分析掠入射角、放大倍数和反射镜曲率半径对成像系统调制传递函数（MTF）的影响,确定了KB显微镜系统的初始结构参数,实现了2.5 keV能点多层膜KB显微镜的设计、制备以及装调,在神光Ⅱ强激光装置上完成了像质标定实验。结果表明:2.5 keV能点多层膜KB显微镜在100 m视场内观测周期为20 m平面调制靶时的MTF高于0.6,与OMEGA装置同类型KB系统的空间分辨能力相当,明显优于现有的针孔相机和点投影成像技术。该显微镜与条纹相机配合,已成功实现对短扰动波长平面调制靶烧蚀演化行为的动态诊断。     

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.     

新型轻量化可见光光谱仪成像系统研究与分析

利用衍射光学元件消色差和对波面进行任意整形及自由曲面光学元件校正像差的特性,将衍射光学元件和自由曲面光学元件应用于传统可见光光谱成像光谱仪成像系统中,提出了一种新型的可见光光谱成像光谱仪成像系统,基于衍射光学元件独特的负色散特性,用一片折射/衍射混合光学元件代替传统的双胶合透镜来实现消色差,基于自由曲面光学元件的多自由度特性,在系统中引入两个自由曲面光学元件对系统中的像差进行有针对性的校正,针对具体的设计实例给出了详细的设计步骤,设计结果表明,在相同的参数指标前提下,新型系统仅为4片式结构,和传统系统相比,重量减轻22.9%,总长缩短26.6%,最大口径减小30.6%,调制传递函数值最大提升为1.0视场,调制传递函数值提高0. 35,最大畸变减小1.6%,最大垂轴像差减小56.4%,轴向色差减小59.3%,新型系统各方面的性能都得到了较大的改进,为现代高性能、轻小型可见光光谱成像光谱仪成像系统设计提供了一种新的途径。     

像增强器MTF测量理想像面选择方法研究

为了能够获得准确的调制传递函数测量结果,对测量系统中投射图像的理想成像面进行选择性调节。通过对微光像增强器调制传递函数测量系统光学成像性质的深入分析,讨论了光学系统的像差特性,利用平均中点取值法实现了微光像增强器调制传递函数测量中对理想成像面的选择。通过与微光像增强器已有测量结果的对比,证明所述方法能够保证微光像增强器调制传递函数测量的准确性。     

光束斜入射的折反射组合光学系统的像差计算

基于平面对称光栅反射镜系统的像差理论,根据光学元件材料折射率对成像光束波像差进行修正,将像差理论扩展到平面对称折射光学系统,使得该理论可应用于光束斜入射的折反射组合光学系统的像差计算;指出在折反射组合光学系统中考虑物像方空间折射率的关系,以及入射角方向的定义,使得波像差的计算表达式保持统一;应用扩展后的像差理论对折反射...     

激光合束光学系统气体热效应影响分析

为了分析激光合束光学系统的成像质量,本文研究了激光合束光学系统的热耦合效应。借助光学设计软件建立激光合束系统模型,基于传热学理论,根据光学系统结构及流场条件参数建立气体流体模型。根据光线追迹法编写用户自定义函数,通过数值模拟定量研究了介质气体热效应引起的波像差系数。仿真分析了气体热效应在不同时间下对激光合束光学系统的影响。结果表明,受重力影响激光合束系统热效应的旋转对称性变得不再明显,随着温度升高呈现分层变化,且非均匀热效应以低阶像差为主。将波像差系数导入光学设计软件,可实现复杂光场与热场耦合传函的定量分析,波像差劣化0.3λ,传递函数下降0.1。     

微小球面显微光学系统设计与照明分析

机器视觉检测技术具有非接触、高精度的优点,正在逐渐取代人工检测,成为工业生产检测的重要一环,作为前端的光学系统是机器视觉检测技术的核心部分。文中针对半径10 mm以内的光滑球体表面检测设计了一款双远心光学成像系统。系统由7片镜片和1片滤光片组成,采用了2个非球面校正像差,调制传递函数曲线在40 lp·mm^-1处大于0.3,具有良好的成像性能。由于该系统光圈较小且待测物为类镜面反射材料,设计完成后进行了照明模拟,选择采用多个面光源对待测物进行照明。模拟结果表明,文中设计的双远心光学系统实现了对较大曲率表面成像,并给出了一种配套的照明方式。     

静、动态目标模拟离轴三反光学系统设计

基于单色像差理论,确定同轴三反光学系统的初始结构参数,通过二次曲面系数为0的偶次非球面的高次项之间的平衡,校正离轴系统引起的非对称性像差,同时结合DMD(数字微镜器件)目标生成器,设计出一款采用离轴三反光学系统的平行光管,为坦克承载的被测光电设备提供室内模拟目标。本光学系统的设计指标是工作波段为0.2~1.2μm,有效焦距为3000mm,全视场为2°,F数为8。结果表明,系统各视场的波像差均优于λ/34(主波长λ=0.6328μm),传递函数MTF均优于0.71@36.5lp/mm,接近衍射极限,成像质量好。对系统进行公差分析之后,系统的传递函数值远优于0.6@36.5lp/mm,合理的公差分配使系统加工难度降低,装调检测更加方便容易。     

一种用于大气探测的紫外成像仪光学系统设计

提出了一种将全景成像系统应用到大气临边探测的光学系统设计方案。首先考虑到特殊的工作波段以及创新性应用,根据应用技术指标,在传统全景环形透镜的基础上,结合探测器尺寸限制,精细调整四个球面的曲率半径,以便得到最佳光学传递函数。然后基于像差理论设计中继镜组系统,补偿全景环形透镜产生的像差,采用折射率n以及阿贝常数ν不同的双分离的正负透镜组合,负透镜采用熔石英,正透镜采用氟化钙,从而使色差最小。最后运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化,列出重要的公差参数,为后续加工装调提出要求。优化结果表明,光学系统在各个视场的光学传递函数均达到了0.7以上,各视场能量集中度为80%的弥散圆直径均小于11 μm,完全满足设计指标要求,也证明了将全景环形成像系统应用到紫外波段大气临边探测的方案是可行的。