遗传算法宽光谱光学系统设计方法研究

针对宽光谱光学系统初始结构构建效率低、设计周期长的问题,提出基于遗传算法的宽光谱光学系统设计方法。推导等焦距、等像面成像条件,建立合理的优化目标函数,以光学结构参数作为遗传变量,利用研究的遗传算法解算出大量优异初始结构,筛选最优结构输入到光学仿真软件中,经过简单优化即可得到满足要求的宽光谱光学系统。以此方法设计了可见光、近红外宽光谱光学系统,系统成像波段为0.4～1.2μm,焦距为40 mm,视场角均为±5°,波段范围内焦距差异小于0.03 mm,且宽光谱范围内成像质量良好。     

大相对孔径连续变焦前置物镜的光学设计

根据所研制超光谱成像仪的性能指标和应用要求,设计可用作超光谱成像仪前置系统的连续变焦光学系统,具有相对孔径大、工作于可见光波段、中等焦长、光能利用率高和像方远心等特点。详细介绍变焦距光学系统的结构选型及其初始结构计算方法。设计的变焦距光学系统采用机械补偿法,变倍比为4×,相对孔径为1∶2,在宽视场(8°)和窄视场(2°)端的焦距分别为55mm和220mm。系统畸变小于0.6%,在66lp/mm空间特征频率处的调制传递函数值大于0.5,能够满足超光谱成像仪的使用要求。     

多光谱遥感相机光学系统设计

设计了谱段位于450~900nm,焦距f=6 000mm,F数为10的大F数、矩形视场、长焦距的折轴三反光学系统.光学系统视场角为1.6°,光学系统的畸变优于0.5%,中心面遮拦为6%时,Nyquist频率(25lp/mm)处各谱段调制传递函数优于0.65,整个光学系统成像质量达到衍射极限.同时根据所采用的多光谱时间延迟积分CCD分析了相机各谱段的静态调制传递函数,可以满足多光谱遥感相机的设计使用要求.     

基于红外多光谱相机分析长后焦距对无热化设计的影响

在不同环境温度下,热差对红外多光谱相机的成像质量造成一定的影响,基于此,建立了红外多光谱相机的无热化模型,此模型将红外多光谱相机等效为分离式双透镜光学系统.在定焦距的情况下,分析了后焦距变长对前后透镜光焦度的影响,从光焦度绝对值与正负值变化情况对材料的选择范围进行约束,实现光学材料的快速选择.采用该模型对波段为8—14μm,焦距为50 mm, F数为1.4的红外多光谱相机在–40—+60℃范围内进行无热化设计.通过仿真分析,各视场在奈奎斯特频率为30 lp/mm处的值均达到0.39,接近衍射极限;弥散斑均方根半径均小于艾里斑半径19.17μm;轴向像差均小于0.02 mm.采用通道为9.43—11.53μm的红外多光谱相机对SF6气体进行成像实验,实验结果表明,经过无热化的红外多光谱相机对SF6气体的成像效果良好,设计方法正确可行.     

基于CDP的宽波段光谱成像仪研究

为满足动态目标实时光谱成像的应用需求,设计了一种基于CDP(crossed dispersion prism)的静态、快照式的光谱成像仪。对其光谱成像原理进行了理论研究,并根据理论研究结果对宽波段CDP光谱成像仪光学系统进行设计。该光谱成像仪由CDP分光系统、成像光学系统和面阵探测器组成,视场角为4°,焦距为110 mm,工作波段为0.6~5.0 μm。设计结果表明,该仪器在0.6~5.0 μm的波段范围内具有较好的光谱成像能力,平均光谱分辨率为20 nm。该技术为实时获取动态目标光谱信息及位置信息提供了一种新方法,同时该技术在对未知高能目标探测、定位以及识别方面具有很大的潜力。     

光学系统调制传递函数的敏感性分析

光学元件、结构件的加工和光机系统的装校会导致光学系统的入瞳孔径尺寸和焦距偏离设计值,从而导致光学系统F数的改变,并且光学系统在光谱谱段内成像,光学系统的空间截止频率也在改变.分析了入瞳孔径尺寸D(100～1000mm)、焦距f′(400～2000mm)、F数(4～20)、光谱波长λ(350～800 nm)的变化对光学系...     

宽波段光学系统三级光谱的校正方法

提出了一种子波段缝合光学玻璃组合的选择方法,通过最小二乘法求解复消色差方程,得到了能有效校正三级光谱的最优化玻璃组合。基于该组合设计了一个宽波段长焦距光学系统,该系统的波长范围为0.45～1.014μm,焦距为400 mm,F数为6,全视场角为10°。系统共有3种光学玻璃,7片球面透镜,调制传递函数(MTF)接近衍射极限。研究结果表明,所提方法可以在复消色差光学系统中实现三级光谱残差的校正。     

水平对称视场全景环带成像系统设计

为了进一步扩大视场,实现水平上下对称视场的全景环带成像,使用了一种新的利用非球面PMMA设计的全景环形透镜(PAL)。视场达到(-30°^+30°)×360°,并且缩小了中央处的盲区,提高了CCD的利用率。对全景环形透镜的视场和畸变控制方法进行了理论分析,介绍了非球面全景环带透镜的设计方法。设计了一套全非球面PMMA的全景环带系统。系统总长为53mm,焦距为2.85 mm,PAL最大口径为62.4 mm,光谱范围为0.486~0.656μm(可见光谱)。后继转像镜组由7片透镜构成,系统后焦距(BFL)为5.4mm。分析结果证明系统像差校正良好,扩大了系统的应用范围。     

超光谱成像光学设计

针对超光谱成像涉及光学、光谱学、机械、微电子、计算机等众多研究领域,成像光谱仪需要小型化设计的要求,设计一个超光谱复消色差的成像系统。从像差理论出发,依据典型的光学玻璃在400 nm~1 000 nm波段的色散特性,导出了消二级光谱的理论公式。针对系统指标全视场7.63,F/#为5,焦距为60 mm,利用ZEMAX软件,对其二级光谱进行了校正设计。结果表明,在可见光和近红外波段,成像系统在60 lp/mm处的MTF均大于0.5,其他像差也达到了要求。     

衍/折射光学元件消二级光谱的设计

采用衍/折射光学元件结合的方法,使用两种玻璃设计了星载用长焦距望远物镜,对其二级光谱进行了校正。具体介绍了衍/折透镜望远透镜消二级光谱方法、步骤。计算机模拟结果表明：校正后的望远物镜轴上位置色差小于0.08mm,满足使用要求,并且设计方法步骤简单。     

折衍混合复消色差望远物镜设计的PWC方法

将衍射结构视为折射率无限大的薄透镜,研究了衍射透镜高折射率表示的折衍混合复消色差望远物镜设计的PWC方法;设计了焦距为2000mm、相对孔径为1/15的双片型折衍混合复消色差望远物镜,并与常规三片型纯折射复消色差望远物镜进行了比较,结果表明双片型折衍混合复消色差望远物镜具有更好的二级光谱校正能力,色球差更小,因此具有更好的成像质量.     

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.     

新型光谱可调定标光源系统准直物镜设计

高精度光谱可调定标光源系统是针对高光谱遥感器的高精度定标提出的一种新型参考光源,设计了一个折射式宽谱段大相对孔径的准直物镜。镜头工作在400 nm~1 000 nm波段,半视场角2.2、相对孔径F/2.8、焦距135 mm。利用部分色散（P）和阿贝数（）的修正公式,基于复消像差的基本原理,获得了镜头的初始结构。借助Zemax光学设计软件进行优化设计,点校正了系统的二级光谱。最后,在设计波段上实现了复消色差,二级光谱残余量约为0.04 mm,其他像差也得到了良好的平衡。镜头的MTFs在37 lp/mm空间频率处均大于0.8,镜头整体性能满足设计指标。     

内调焦摄远镜头的光学设计

提出了一种内调焦摄远镜头的光学设计方法。分析了其二级光谱特性 ,通过合理的选择玻璃材料校正了二级光谱色差。在光学结构上采用远距型结构以达到较小的远摄比。采用内调焦方式缩小了外形尺寸 ,简化了机械结构。通过实例说明了设计结果。内调焦摄远镜头的设计结果为 :焦距为 50 0mm ,相对孔径为 1∶4 .5 ,视场角为 5°,最近摄影距离为 5m ,调焦方式为内调焦 ,成像质量高于国家标准GB991 7 88所规定的J0 级镜头标准     

宽光谱微光准直镜方案设计

介绍宽光谱大视场微光准直镜的光学设计和镜组结构方案,侧重叙述大视场微光准直镜的二级光谱校正方法。根据初级像差理论,由半部系统出发,给出了系统的初始结构。通过理论分析和ZEMAX光学设计软件的优化,结合工程应用给出了工作波长为（0.486～0.863）μm、全视场,相对孔径为1∶7.85的镜头设计实例,其二级光谱为0.01mm。该镜头由6块镜片组成,包括一个标准抛物面,在20lp/mm空间频率处MTF值超过0.8。准直镜的像差满足使用要求。     

Fresnel lens solar concentrator design and spectral distribution on focus surface

It is necessary to analysize the spectral distribution of sun light on focal spot as well as its condenser ratio, both in the study of the different quantum efficiency of photoelectric materials and the different spectral absorption coefficient for the laser medium. Based on the absorption spectrum of Cr/Nd:YAG ceramic, this paper addresses itself to the study of convex Fresnel lens focus solar light and choose spectrum. Set Parameters which are used for the design of Fresnel lens such as the ring width, height the focal length as well as the design of spectrum can be changed and the spectral ditribution on focal plane can be controlled. By way of simulation, a method through which is the best optical design for matching Cr/Nd:YAG ceramic absorption spectrum can be found. The maximum absorb power density in six optimum design is 288.5 W/cm², which is 3.2–18.5% higher than absorb power density in six initial design based on purpose of obtaining the maximum power density.     

A hybrid doubled achromat based on a photon sieve

Photon sieves are diffractive optical elements with large chromatic aberration. To correct the dispersion of a photon sieve, a novel hybrid doubled achromat combined a photon sieve and a refractive lens is proposed. The design of this achromat applies the opposite dispersive characteristics of diffractive and refractive elements. Two design examples for different bandwidths of 300 nm and 80 nm in visible spectrum are given. For analyzing their focusing properties, the intensity distributions both along the axis and at the focal plane are studied. The results illustrate that the achromatic design is achieved and the secondary spectrum can be corrected for a narrow bandwidth. And compared to traditional hybrid achromat, it can focus to a sharper spot.     

宽谱段折射式长焦光学镜头

介绍了宽谱段、折射式长焦镜头的光学设计.重点讨论了宽谱段(420～900 nm)二级光谱的校正问题,修正了部分色散（P）和阿贝数（V）的计算公式,使之适合于宽谱段光学系统的设计,并给出了设计实例及设计结果.本系统理论上的二级光谱约为1.2 mm,而设计结果使三条谱线（420 nm、600 nm、900 nm）基本交于一点,实际二级光谱约0.23 mm.     

傅里叶技术测量透镜焦距

介绍采用Fourier术测量透镜焦距的方法,通过测量Fourier变换面上功率谱的分布,计算出透镜焦距。文中对测量原理进行了理论分析,导出了焦距计算公式并给出了实验结果,同时对功率谱分布的探测方法进行了探讨。     

Design of liquid-glass achromatic zoom lens

Optical liquids are ideal materials for designing apochromatic lens due to their lower refractive index and higher Abbe numbers than those of the ordinary optical glasses. Based on the Buchdahl dispersion formula, the dispersion coefficient diagram of liquids and glasses is established. The liquid-glass combination lens(LGCL) with small secondary spectrum is obtained by calculating the combination structure with low dispersion liquid and glasses. The initial optical structure of the liquid-glass apochromatic lens(LGAL) can be obtained by replacing two glass lenses in an initial optical system with the LGCL. Using the multi-configuration optimization of ZEMAX, the liquid-glass achromatic zoom lens (LGAZL) can be designed by optimizing the LGAL. The LGAZL has an objective field of view ?63 mm–?57 mm, an image field of view 8 mm, a working distance 240 mm and the zoom range of focal length 75–85 mm. The chromatic aberration and the secondary spectrum of the LGAZL are all less than 3 μm in the whole zoom range.