基于光学离焦量的致冷型长波变焦红外成像系统冷反射效应的分析与控制

衡量镜面冷反射大小的主要指标在于其对后向反射光线的在探测器靶面的聚焦程度,目前使用一阶参量yni进行量化,不足之处在于没有和具体的透镜参数和系统参数相联系,对于冷反射优化指导作用不大。定义了新的参量光学离焦量对反射光线的散焦进行量化,推导给出了其与镜面曲率半径、通光孔径、其后成像面位置、其前透镜组焦距和系统视场角等设计参数的关系式,分析总结了光学设计中降低冷反射的方法。利用光学离焦量对一个制冷型长波变焦红外光学系统进行了冷反射分析,并计算了各反射面的冷反射引入等效温差(NITD)。分析了NITD主要贡献面的冷反射成因,并进行了针对性的优化,优化后系统变焦部分的NITD减小了50%,而固定透镜组的冷反射下降了75%左右,结果表明光学离焦量对于制冷型红外系统的冷反射优化具有明显的指导作用。     

中波红外光学系统无热化设计和冷反射抑制

为了得到性能好、稳定性高,能够满足民用、军事等领域应用的中波红外成像光学系统,采用光学被动式的无热化技术,在常温下像质良好的初始结构基础上,通过对不同红外材料组合,实现系统的无热化设计。利用等效温差(NITD)计算冷反射贡献量,对冷反射贡献量较大表面的曲率和光焦度进行优化。设计结果表明:在-40℃~60℃温度范围内,光学系统的MTF在30 lp/mm处均大于0.5;离焦量在一倍焦深以内,点列图(RMS)直径小于像元尺寸;冷反射残存量最大的表面NITD值降低40%。应用该方法可以很好地实现红外成像光学系统的无热化设计,对冷反射的抑制效果明显。     

超大视场折反射全景光学成像系统设计

折反射全景光学成像系统具有平面对称光学系统的成像特性,提出应用光焦度控制方程和超大视场光学系统六阶波像差理论来初步确定系统结构初始参数,在此结构基础上,应用Zemax软件对其进行设计和优化,得到了一款仅由1块偶次非球面反射镜和6块折射透镜组成的折反射全景光学成像系统.该系统工作在可见光波段,全视场角范围为12°～178...     

混入逃逸函数的实数编码遗传算法优化光学系统

为了得到超多参量光学系统的最佳设计,将标准遗传算法的二进制编码改为实数编码以提高算法的鲁棒性和计算效率,并在评价函数中混入逃逸函数避免优化过程陷入局部极值.用改进后的遗传算法和CODE V对鱼眼镜头光学系统和折反射全景成像系统的设计案例进行光学参量优化,并应用Zemax对两种优化结果进行光线追迹成像模拟.计算结果表明,应用改进遗传算法比混入逃逸函数的遗传算法或CODE V软件优化所得到光学系统的成像质量有明显提高,在优化超多参量光学系统时具有较为理想的鲁棒性和计算效率.     

星间激光通信终端光学天线的隔离度

为满足星间激光通信对高隔离水平光学天线的要求,实现对光学天线隔离度的仿真分析和优化,提出了一种将红外系统冷反射的特征控制量YNI值作为衡量光学元件表面后向反射能量强度,并控制光学天线优化以提高隔离度水平的方法。在Light Tools软件中为某激光通信终端的卡塞格林天线创建了实体模型,通过仿真分析得出了各元件表面的后向反射率。在ZEMAX软件中以增大各元件表面的YNI值为目标优化天线结构。对比优化前后的结果,系统的后向反射率从3.068 8×10~(-4)减小到1.075 5×10~(-5),隔离度从-35.13 d B减小到-49.68 d B。优化后的卡塞格林天线具备较高的隔离度水平,可用于星间激光通信。     

自聚焦平面微透镜的成像矩阵

利用普通光线方程对自聚焦平面微透镜的成像光线进行了分析;得出了微透镜的成像矩阵,给出了自聚焦平面微透镜高斯参量的计算公式;并与实验结果进行了比较,得到了满意的结果。     

卡塞格林反射系统结构动态优化设计

本文对卡塞格林系统在焦平面上的衍射效应进行了分析,并采用有限元素光线追踪法对衍射效应进行了计算.据此,本文提出了以该衍射效应作为卡塞格林反射系统结构优化设计的目标函数,该方法具有直观和量化的优点.采用该方法对大口径反射系统结构的设计具有一定的实际意义.     

猫眼效应中离焦量对激光回波发散角的影响

平行光束或者激光束在光轴方向上照射焦平面成像系统时会产生猫眼效应,焦平面探测器安装的正交性与离焦量直接影响猫眼回波的光学特性,进而影响基于猫眼效应的探测系统的性能。针对猫眼效应中离焦量与后向反射光束发散角之间关系,利用物理光学进行分析,建立理论模型,对焦距为0.18 m的焦平面探测成像系统进行数值计算得到:在离焦量为0.16 mm时,发散角最小（0.019 mrad）。搭建实验系统,测试离焦量与猫眼回波发散角,测得离焦量在0.15 mm附近存在最小的发散角为0.025 mrad,与计算结果0.019 mrad基本吻合。研究表明:1） 负离焦对发散角的影响大于正离焦;2） 猫眼回波发散角基本上随着离焦量绝对值的增加而变大,但是变化曲线并不关于零离焦量点对称,而是在某个正离焦处存在一个最小发散角。     

基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理（英文）

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法。仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息。某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上。平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息。根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°。利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原。针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法。为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间。对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作。复原光谱分辨率为194cm~(-1),优于设计指标(250cm~(-1))。     

高变倍比中波制冷型连续变焦光学系统设计

采用机械补偿法变焦型式,建立两组元连续变焦光学系统模型,在该模型的制导下,针对中波640×512、像素尺寸15 μm制冷型焦平面阵列探测器,设计了一款立体布局的高变倍比连续变焦光学系统。该系统工作波段为3.5 μm~4.8 μm,焦距范围覆盖30 mm~500 mm,工作温度范围覆盖-40℃~+60℃,变焦过程中F数恒定为4,系统变焦全过程具有100%冷光阑效应。设计过程中对系统冷反射进行了详细分析,对凸轮曲线进行优化设计。设计结果表明:该系统在0.8视场内,全温度范围的光学调制传递函数在33 lp/mm处大于0.25,在25 lp/mm处大于0.4;全视场公差作用下系统传递函数在33 lp/mm处大于0.13。该系统具有变焦轨迹平滑,冷反射抑制特性优良,成像质量佳,环境适应性好等优点。     

80倍中波红外连续变焦光学系统设计

基于复合式变焦系统结构,提出了一种三组元连续变焦设计数学模型.在该模型的指导下,针对中波制冷型15μm、640×512的凝视型焦平面探测器,设计了一款紧凑型高变倍比连续变焦光学系统.该系统工作波段为3.7~4.8μm,F数为4,利用该模型分配光焦度、计算初始点得到系统焦距变化范围为9~740mm,变倍比达80×.整个光学系统仅采用硅、锗两种红外材料,共八片透镜,利用二次成像方法及45°反射镜对系统进行了U型折叠,在实现100%冷屏效率的同时有效控制了横向和纵向尺寸.完成了各动组凸轮曲线的优化设计和对比分析,从光学传递函数、点列图、畸变、冷反射及环境适应特性等多方面对系统进行了分析.结果表明,该系统具有变焦轨迹平滑、冷反射抑制特性优良、成像质量佳、环境适应性好及工程可实现性等优点.该数学模型的正确性和可行性也得到了验证.     

成像过程的计算机模拟

按照阿贝二次成像理论,物体成像经历了两个过程：（１）物面上光场复振幅的空间分布,变换成光学系统后焦面上的频率分布;（２）后焦面上的频率分布还原成像面上的光场复振幅空间分布。本文介绍了如何用计算模拟这两个过程,设计的空间滤波器可以随意改变频谱分布,并可观察到像面上对应的变化。     

Statistics of speckle focused through a hard-edged pupil

We examine the statistical properties of speckle patterns in and near the far-field, produced by an ordinary optical system having a hard-edged pupil. By applying Fresnel diffraction theory, expressions for the contrast in terms of the statistical parameters of rough surfaces and the geometry of the optical system are derived and discussed. It is shown that the contrast of speckle has maxima and minima in the focal plane and also along the axis of the optical system.     

非球面光学系统设计、加工及检验的综合考虑

某研究所要求研制一台夜间红外观测系统 ,观测波段为 3～ 5 μm ,焦距 f =90 0mm ,相对口径为 1∶4,视场角 2ω =0 8°。红外焦平面是已有的 ,其冷屏直径为Φ5mm ,冷屏至焦面的距离为 2 0mm。由于从设计开始 ,要求完成的时限很短 ,因此必须将缩短加工周期的问题作为重要因素来考虑。工作在 3～ 5 μm波段 ,首选的必然是非球面反射系统 ,而非球面的加工与检验的难易直接和其参数有关。因此在评价设计结果时 ,不能仅从像质好坏来看 ,还要看其需要的加工周期长短。接受到任务之后 ,首先找到了可行的方案 ,然后设计了几个具体的系统 ,在比较了两个最可行的设计结果之后 ,选择了其中之一。     

长焦距变焦镜头的温度分析及补偿

为了提高长焦距变焦镜头的温度稳定性,分析了温度对光学系统的影响。在CODE V里对长焦距变焦镜头光学系统进行温度仿真分析,发现温度对光学系统的像质影响很大。采用无热化技术成熟的主动调焦式补偿方式对光学系统的温度效应进行补偿,发现采取补偿后像质有很大改善,但在相机的最大空间频率处的MTF还是较低,且变焦系统各焦距时的最佳像面并不能齐焦。采用机械被动式补偿和主动调焦式补偿混合的方式进行温度补偿,使得变焦系统在要求的全温度范围内有良好的像质,短焦时MTF大于0.5,长焦时的MTF大于0.25,并且焦距也得到补偿,各焦距时的最佳像面齐焦并与CCD的像面位置重合。     

太阳模拟器中椭球面聚光镜参数的确定

椭球面聚光镜是太阳模拟器设备的重要组成部分,其能量收集的效率决定着太阳模拟系统的能量传递效率,而太阳模拟器光学系统中的椭球面聚光镜参数一直没有理论上的设计依据,结合氙灯的发光特性并通过对MATLAB 中建立的椭球面聚光镜聚光过程数值分析模型给出了椭球面聚光镜包括第一焦距、最大成像放大倍率、包容角范围及前后开口直径的确定依据,并通过在Lighttools 中建立的4种仿真模型验证了理论分析的正确性。第一焦距由光源光中心高确定,最大成像放大倍率由光学积分器相对孔径及椭球镜包容角范围共同确定,椭球镜包容角范围不小于30～120,前开直径口由椭球镜的最大孔径角确定,后开口直径由最小孔径角和光源的径向调节量共同确定。该结论给椭球面聚光镜的设计提供了理论支撑,有利于设计完成高能量收集效率的椭球面聚光镜。     

高能X射线聚焦组合透镜的理论研究

X射线聚焦组合透镜是一种利用折射效应对X射线辐射聚焦的新型元件。针对X射线波段的特性,综合考虑折射和吸收效应得出组合透镜的衍射屏函数,并利用衍射理论推导出X射线组合透镜的设计理论。利用统计学理论中一阶、二阶原点矩表征像面处的光学性能,使设计更简洁。该理论方法可方便地推广到双凹折射单元情况。通过数值计算分析了像向处强度分布的二阶中心矩以及焦点处辐射强度随组合透镜结构参最的变化关系,给出了一种铝基X射线组合透镜的结构参量设计结果。对于设计的组合透镜结构参量,计算了当X射线辐射能量分别为0．93 keV．9．89 keV和29．78 keV时,X射线辐射经过组合透镜后的焦点强度分布。     

三反射主动变焦系统设计

空间光学系统在对深空探测、监视、威胁侦测和对地高分辨率侦查等应用中,不仅需要能同时获得高分辨率和宽视场范围的变焦系统,还需要体积小、重量轻、低能耗及快速调焦的系统,传统机械变焦系统因需要复杂精确的机械运动控制而存在诸多问题.因而,基于主动光学理论,将主动光学元件应用到成像系统中,提出了通过某个或某几个光学元件的曲率半径变化实现系统焦距变化的理论.根据初级像差理论和系统的外形尺寸,研究了系统主动变焦原理,确定了初级像差方程组的约束条件,求解共轴主动变焦系统的初始结构参数,借助ZEMAX软件进行优化设计,设计了一个由静止的主镜、曲率半径作为变量的次镜和三镜、无光焦度的平面镜组成的三反射主动变焦系统.由于该共轴三反射主动变焦系统存在两次遮光,会影响系统像面能量的接收,因此,指出对共轴系统进行无遮拦离轴优化设计的必要性,讨论了离轴系统设计理论,并设计了离轴三反射主动变焦系统.