基于主动光学技术的任意视场变分辨率空间望远镜

介绍了一种新型的空间望远镜,通过改变光学系统焦距,可以提高任意感兴趣视场的成像分辨率。光学系统有四个反射镜组成,包括两个静态非球面反射镜和两个面形动态可调非球面反射镜.通过改变两个可变形反射镜的面形,系统焦距可以在399 mm到558 mm范围内进行动态调整.和机械式变焦系统相比,此主动变焦系统避免了光学元件的精密移动,有效减少反应时间。分析了此系统的成像质量,给出了0°、0.51°、0.7°不同视场的弥散斑:1.6 μm、1.0 μm、1.7 μm,及传递函数:在68 lp/mm 时,MTF曲线值大于0.7.此新型成像技术还可以有效减少数据传输链带宽需求,在遥感领域具有广阔的应用前景.     

分光计望远镜视场角的研究

本借助平行光和双面反射镜对分光计望远镜的视场角进行了分析和测量,并通过实验得出了结果。     

大视场大相对孔径斜轴离轴三反望远镜的光学设计

推导了离轴三反光学系统的线性像散平衡条件,在此基础上采用倾斜母镜光轴的方法设计了大相对孔径时大视场像散校正的斜轴离轴三反光学系统.系统视场为5°×5°,相对口径为1/3.1,口径为250mm,波段为400～2 500nm.将该系统与相同光学参数的共轴二次非球面离轴三反系统和共轴高阶偶次非球面离轴三反系统进行对比.结果表明斜轴离轴三反光学系统所有视场的光学传递函数在17lp/mm处均大于0.73,由于反射面采用圆锥曲面,其在偏轴视场成像质量方面有明显优势.对斜轴离轴三反光学系统的加工与装调进行了分析,其公差较为宽松,验证了其结构实现的可行性.     

大视场航天遥感器的光学系统设计

设计了一个主镜为凸面的三镜无遮掩全反射光学系统。采用共轴系统设计、离轴视场使用的成像方式,避开了中心遮光,实现了大视场。其视场角为30°×2°,焦距为600mm,相对孔径为1/5 6。各个面都是二次曲面,成像质量接近衍射限。结果表明,用这种方法设计的系统在航天遥感领域具有很好的应用前景。     

大视场光学显微成像技术

光学显微成像技术具有实时性、高分辨率和非侵入性等特点,其成像尺度可跨越细胞、组织乃至生命体,极大地拓展了人们对生命本质的认识边界。然而,受限于光学显微成像系统有限的空间带宽积（Space-Bandwidth Product,SBP）,常规的光学显微镜难以同时兼具大视场和高分辨率,使得显微成像在大视场生物成像应用中受到较大的限制,例如,对脑神经网络以突触为单位的神经回路成像。近年来,大视场光学显微成像技术得到不断的发展,其SBP的视场相较于传统的光学显微镜有了十倍甚至百倍的提升,在保持高分辨率的基础上拓展了成像视场,从而可以满足生物医学领域重大问题的研究需求。本文介绍了近年来几种典型的大视场光学显微成像技术及其生物医学应用,并对其未来发展做了展望。     

利用镜面形变实现共轴折反射式变焦光学系统设计

在光学系统中加入2个或多个可变光学元件,保持光学元件位置不变,通过微调装置改变这些可变光学元件的焦距使得整个光学系统的有效焦距发生变化。基于该设计思想,结合卡塞格林(Cassegrain)反射式望远镜结构模式,使用ZEMAX光学设计软件设计了焦距为1 600 mm～800 mm,视场0.6°～1.2°的变焦系统,整个系统由2个可变形反射面、1个平面反射面和1个透镜组成,主要通过主镜和次镜面型曲率(可变形镜DMs,Deformable Mirrors)以及入瞳直径的变化实现系统变焦。设计结果表明:系统在空间频率16 lp/mm处调制传递函数大于0.75,最大均方根弥散斑半径均小于探测元尺寸,满足成像要求。     

基于多视场星点椭圆率的望远镜主动准直方法

光学元件的准直失调会引起天文望远镜在观测过程中的像质退化,该问题在大口径快焦比的天文光学系统中更为突出.针对此问题,本文提出一种用于望远镜日常观测过程中的主动准直方法,通过星像解算实时校正副镜位置及姿态达到维持望远镜像质的目的.该方法基于多视场星点椭圆率,利用粒子群优化算法迭代求解望远镜光学元件失调量,从而校正由光学元...     

大视场反射式施密特光学系统设计与检测

大视场、低成本、高性能天文望远镜是当前研究和开发的热点。基于像差平衡原理,在正入射施密特矫正板基础上推导出斜入射反射式施密特矫正板方程,针对焦距1 700 mm,成像视场角4°,波段为0.4 μm～0.9 μm,F数为4.25的光学系统,求解出施密特矫正板方程,并作为初始结构参数代入Zemax软件进一步优化。设计结果表明,在全视场范围内,该系统在奈奎斯特频率100 lp/mm处的调制传递函数MTF大于0.35,畸变小于2.5%,成像质量达到了衍射极限。优化设计后施密特矫正板与最近球面最大偏差为0.005 mm,采用特制的补偿器结合干涉仪可完成面形高精度检测。该施密特系统的设计为大视场、宽波段天文望远镜的开发提供了参考。     

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。     

中波红外变焦距系统的光学设计

由于红外探测系统具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强，能在一定程度上识别伪装目标，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，在军事上被广泛应用于红外导航、红外侦察和红外制导等方面。近年来，随着红外光学技术的长足发展及其实际应用范围的不断扩展，对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。本文介绍了一种采用凝视型焦平面阵列探测器的中波红外变焦光学系统的设计，该系统利用了反射镜的折叠光路，其工作波长范围为3～5μm，变倍比为20∶1。最后用CODE V光学设计软件对其像质进行了评价。     

前置超光谱成像变焦系统的设计

设计了一种前置超光谱成像变焦系统,其工作谱段在400～1 000 nm,F数为3.5～5.6,在焦距28 mm和80 mm处的全视场分别为7.88°和2.76°.前置超光谱成像变焦系统与传统变焦系统主要有两点不同:第一、由于该超光谱系统应用声光可调滤光器元件分光,更加关心分光后各个谱段下系统的整体传函情况,所以需要进行逐一离散评价;第二、由于实际应用中前置系统与后续成像模块综合应用达到总体变焦的目的,两个系统的传函在系统整体传函中均具有一定的贡献量,所以对前置超光谱成像变焦系统的评价需要综合考虑系统对后续成像模块传函要求的合理化及整体传函受人眼视觉阈约束的影响,从而对前置超光谱变焦系统的像质评价指标进行了具体分析.根据物像交换原则对系统的初始结构进行了计算,并应用ZEMAX软件对系统进行了优化设计,设计结果表明,系统在各个焦距位置及超光谱各谱段下,像质均满足了设计指标要求.     

前置超光谱成像变焦系统的设计

设计了一种前置超光谱成像变焦系统,其工作谱段在400~1 000 nm,F数为3.5~5.6,在焦距28 mm和80 mm处的全视场分别为7.88°和2.76°.前置超光谱成像变焦系统与传统变焦系统主要有两点不同:第一、由于该超光谱系统应用声光可调滤光器元件分光,更加关心分光后各个谱段下系统的整体传函情况,所以需要进行逐一离散评价;第二、由于实际应用中前置系统与后续成像模块综合应用达到总体变焦的目的,两个系统的传函在系统整体传函中均具有一定的贡献量,所以对前置超光谱成像变焦系统的评价需要综合考虑系统对后续成像模块传函要求的合理化及整体传函受人眼视觉阈约束的影响,从而对前置超光谱变焦系统的像质评价指标进行了具体分析.根据物像交换原则对系统的初始结构进行了计算,并应用ZEMAX软件对系统进行了优化设计,设计结果表明,系统在各个焦距位置及超光谱各谱段下,像质均满足了设计指标要求.     

用于航天的高分辨率大视场光学系统设计

设计了一种用于图像拍摄的高分辨率大视场光学系统,其结构形式为复杂化的反摄远基本型.主要光学参量为:f′=6.59 mm,2ω=62°,F数为2.2;在85 lp/mm处,MTF达到0.8,在230 lp/mm处MTF为0.46,基本达到衍射极限,光谱范围为0.486~0.656 μm.设计评价结果表明,该系统的光学性能能够满足成像质量要求,达到了大视场、高分辨率的目的.     

基于衍射元件的两档轴向移动式红外变焦光学系统设计

设计了一种基于衍射元件的两档轴向移动式红外变焦光学系统.系统工作波段为3.7～4.8μm,焦距为80/240mm,F#为4,探测器采用640×512的中波制冷红外探测器,探测器的像元尺寸为15μm×15 μm,该系统具有100％冷光阑效率.在光学设计中采用了衍射元件,大大提高了光学系统的像质,有效减小了系统的体积和重量.对光学系统进行了合理的公差分配和冷反射分析.仿真结果表明,该系统结构紧凑、变倍时间较短、成像质量优异.     

含多个非球面大视场卡塞格林系统光学设计

基于Ritchey Chretien系统,采用CODE V软件设计了具有4个非球面（包含2个高次非球面）的折反式光学系统.系统焦距为880 mm,F数为5.6,波段0.43~0.7 μm,视场角3°.结果表明,该系统在空间分辨率为60 lp/mm时,调制传递函数大于0.5,成像质量接近衍射极限.该系统结构简单、体积小、重量轻,适用于航空遥感应用环境.     

用于深空探测的宽谱段大视场小型光学系统设计

设计了一种宽谱段、大视场、轻小型成像光学系统.系统焦距为35mm,相对孔径为1∶7.5,工作谱段为0.4~0.9μm,全视场为2ω=60°,采用复杂化双高斯结构,透镜面形均采用球面设计,实现系统总长115mm,在70lp/mm处,最低光学传递函数大于0.45.利用负畸变法、像差渐晕法改善广角系统像面照度均匀性,使像面边缘视场照度达到中心视场的80%.像面照度不均匀性为8%,系统热光学性能良好,在0~40℃范围内均有较好的像质,满足深空探测需求.     

对称型光学系统在小型化超短景深动物皮层组织观察系统的应用

在为中科院生物物理所开发的动物脑皮层组织观测系统的项目中,采用-1x对称型结构很好地消除了垂轴像差,而通过选择合理的镜组结构、光焦度分配和玻璃组合,较好地控制了轴向像差和轴外像差,并兼顾了超短景深和小型化的需求,较好地解决了小景深与长焦距大孔径及长焦距大孔径与系统小型化之间的矛盾,成功地研制了小型化超短景深平场远心光纤传像束镜头.     

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.