几何光学 光学系统、成像与分析

TH703 2006031859离轴反射式光学系统设计=Design of reflective off-axissystem[刊,中]/伍和云(安徽建筑工业学院数理系.安徽,合肥(230022)) ,王培纲∥光电工程.—2006 ,33(1) .—34-37提出通过光瞳和视场离轴,实现无中心遮拦的离轴反射式光学系统设计方法。在同轴三反射光学系统基础上,将光瞳和视场适当离轴,实现镜间遮拦的消除。分主镜或次镜为系统孔径光阑两种情况,导出同轴三反射光学系统初始像差公式和初始结构参数计算公式。由三反射系统成像性质,进一步总结无焦光路条件。根据设计理论计算离轴三反射系统初始结构,利用Zemax优化得…     

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.     

用于成像光谱仪的宽视场离轴三反望远镜设计

大相对孔径宽视场成像光谱仪已成航天、航空遥感的迫切需求,要求其望远镜具有大相对孔径、宽视场和像方远心、成像质量高等特点.以同轴三反望远镜的几何成像理论为基础,研究了大相对孔径、宽视场远心离轴三反望远镜的光学设计问题,并且编制了初始结构计算程序.采用视场离轴方式设计了一个波段范围200～1 000nm,焦距210mm,相对孔径1∶2.5,线视场14°的远心离轴三反望远镜,主镜和三镜为6次非球面,次镜为二次曲面.点列图直径的均方根值小于16μm,80%的能量集中在一个像元以内,在奈奎斯特空间频率22.2lp/mm处,调制传递函数大于0.75,畸变小于0.2%,各项指标均满足应用要求.     

太赫兹成像准光学系统设计

为了设计出适用于太赫兹波段成像的光学系统,综合分析了各种成像系统的特点,其中离轴三反射式光学系统具有独特的优势。通过对离轴三反射式光学系统的设计原理、设计方法和步骤的详细介绍,利用ZEMAX光学设计软件,通过编写简单的ZPL宏指令以及光阑和视场离轴,设计了工作在太赫兹波段、入瞳大小250 mm、瞬时视场1 mrad、焦距800 mm、F数3.2的系统,实现了可用于太赫兹波段无中心遮拦的离轴三反射式准光学成像系统设计。     

共轴偏光瞳宽视场折轴三反射光学系统设计

共轴偏光瞳系统克服了共轴系统视场角有限,离轴系统加工和装配困难等缺点,能更好满足空间对地观测等领域的要求.由共轴三反系统求解共轴偏光瞳无遮拦三反射镜光学系统的初始结构参数,设计了焦距为3 000 mm,F数为10的共轴偏光瞳的三反射光学系统.设计结果表明:该系统视场角达8°×0.8°,空间频率50 lp/mm,调制传递函数值均大于0.55,接近衍射极限,满足系统对成像质量的要求.     

提高离轴三反射镜系统成像质量的途径

介绍了离轴三反射镜系统的设计方法 ,即在共轴三反射镜系统求得初始结构参数的基础上 ,将光阑置于第一面 ,适当离轴 ,在避免中心遮拦后再对系统进行优化。利用具有高次非球面项的镜面 ,并对镜面实施离轴、倾斜 ,这都能有效地提高离轴三反镜系统的成像质量。例举了一个大相对孔径、大视场角和一个相对孔径不大、视场角较小的离轴三反射镜系统作为设计的实例。通过对镜面加高次非球面系数、离轴量、倾斜量并进行优化 ,得到了成像质量良好 ,系统的总长度较小的结构     

一种大视场离轴三反射光学系统研究

从共轴三反射系统的基本理论出发,通过偏瞳和偏视场相结合的方式设计了一个圆视场离轴三反射光学系统,全视场为5°,焦距f=5000mm。从像质评价结果可以看出,系统成像质量接近衍射极限,满足指标要求。在设计中考虑到了实际工程应用中的部分问题,可以为长焦距大视场航天相机系统设计提供参考。     

基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计

传统的离轴反射光学系统初始结构设计方法是先求取轴对称反射光学系统结构,然后通过光瞳离轴、视场离轴或二者结合的方法实现无遮拦设计.由于同轴光学系统像差分布规律不适用于离轴光学系统,因此离轴后的反射光学系统结构像差较大,而且系统无遮拦设计过程复杂.本文提出了一种基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计方法,可以直接获取光瞳离轴、视场离轴或二者结合的无遮拦离轴反射光学系统初始结构.该方法可以获得较好的离轴反射光学系统初始结构供光学设计软件进一步优化.针对面阵探测器,设计了一个长波红外离轴三反光学系统,通过光瞳离轴和视场离轴实现无遮拦设计,光学系统成像质量好,反射镜不存在倾斜和偏心,光学系统易于装调.     

宽光谱高分辨离轴三反光学系统设计

为了解决空间对地遥感光学系统探测波段窄、分辨率低等问题,设计了一款非球面离轴三反光学系统。对计算得到的同轴三反结构进行了视场离轴处理,优化了像差,分析及评价了离轴三反系统的成像质量。设计得到的光学系统分辨率在可见光及短、中波红外波段都得到了提升,分别能够达到2 m、3.3 m以及10 m的地元分辨率,系统三个反射镜面型均为偶次非球面,焦距600 mm,相对孔径1/4.3,视场角8°×4°,最大畸变0.4%。各波段在奈奎斯特频率处的MTF值均高于0.2,且RMS半径满足小于探测器最小像元尺寸的成像要求。实现了高分辨率、宽波段的设计目标所要求的各项指标,从而提升了系统全时间段、全天候的信息获取能力。     

基于自由曲面的大视场离轴反射光学系统设计

大视场离轴反射光学系统可以获取丰富的信息资源,是未来空间光学系统的发展趋势。自由曲面在离轴反射光学系统中的应用可以增大系统视场,但大视场自由曲面离轴反射光学系统初始结构较少,优化过程复杂,设计难度大。提出了一种大视场自由曲面离轴反射光学系统设计方法,首先基于矢量像差理论与费马原理直接获得成像质量较好的无遮拦自由曲面初始系统,再对其进行简单优化即可得到最终的大视场自由曲面光学系统。该方法可以降低大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计难度。设计了一个大视场自由曲面离轴三反光学系统,光学系统视场为30°×3°,F数为2,验证了所提方法的有效性。     

基于微分方程方法的离轴四反光学系统设计

随着航空航天遥感相机的分辨率及视场要求的不断提高,离轴四反光学系统受到越来越多的关注。而传统设计方法在离轴系统方面逐渐显示出局限性,因此引入了一种新型的设计方法—微分方程设计方法。首先介绍了微分方程设计方法的原理及设计思路,并加入焦距约束因素,创新性地提出同轴四反光学系统模型;并根据微分方程方法设计了一款焦距为100 mm、弧矢方向视场角为40°,子午方向视场角为10°的大视场离轴四反射镜光学系统,该系统在50 lp/mm处的调制传递函数(MTF)均在0.606以上。经过实验验证,与传统的设计方法相比,微分方程设计方法不但计算简洁、有效,而且在离轴系统的结构参数计算及面型计算方面有广泛的应用前景。     

灵巧型离轴三反光学系统设计

基于同轴三反射光学系统基本原理,将孔径光阑和视场适当偏心,设计了一个灵巧型多光谱离轴三反光学系统,系统焦距1 200 mm,并对设计结果进行了像质评价。实验结果表明:系统在可见波段（0.486 m ~0.656 m）80 lp/mm空间频率下MTF0.5,中波波段（3 m ~5 m）15 lp/mm空间频率下MTF0.35,全波段范围内最大RMS为2.096 m。系统中面型采用二次非球面,且整个系统仅有孔径光阑偏心,3个反射镜位置均无偏心和倾斜,降低了加工成本及装调难度。     

一种新型无遮拦三反射光学系统研究

从系统焦点不引出主镜背后的格里高利系统出发,偏瞳后在其一次像面处加球面反射场镜来校正畸变等像差,并采纳了折轴三反射系统的结构优点,设计出一种新型无遮拦三反射光学系统。分析了该种系统的设计步骤,设计了一个焦距为900 mm,视场为0.8°×0.8°,F数为9的光学系统,总长为330 mm,成像质量接近衍射极限,具有较小尺寸、较好的杂散光抑制能力等特点。该系统与其他三反射光学系统相比,最大的优点是非球面反射镜只用了两块,降低了成本和加工装调难度。     

大口径离轴凸非球面系统拼接检验技术

针对大口径离轴凸非球面面形检测的困难,本文将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接干涉技术相结合,提出了凸非球面系统拼接检测方法。对该方法的基本原理和具体实现过程进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型。当离轴三反光学系统的主镜和三镜加工完成以后,对整个系统进行装调和测试,并依次测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值可以求解得到大口径非球面全口径的面形信息,从而为非球面后续加工和系统的装调提供了依据和保障。结合工程实例,对一口径为287 mm×115 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,经过两个周期的加工和测试,其面形分布的RMS值接近1/30λ(λ=632.8 nm)。     

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。     

一种新型离轴三反式光学系统的设计

在三反射镜光学系统的几何光学理论的基础上,设计了一个焦距f=1000 mm,相对孔径D/f=1/4,视场角2w=3°的离轴非球面三镜反射系统,讨论了优化方法和各参量对系统结构和像差的影响.     

大口径离轴凸非球面的加工和检测

将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接测试技术相融合提出了凸非球面系统拼接检测方法,对该方法的原理和实现步骤进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型.依次利用计算机控制光学表面成形技术和磁流变抛光技术对一包含大口径凸非球面的离轴三反光学系统的各反射镜进行加工,并对整个系统进行装调和测试.测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值求解得到大口径凸非球面全口径的面形信息.结合工程实例,对一口径为292mm×183 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,其最终面形分布的均方根值为0.017λ(λ=632.8 nm).     

宽视场成像光谱仪前置远心离轴三反光学系统设计

为了满足宽视场成像光谱仪发展的需求,研究了远心、宽视场和大相对孔径的离轴三反系统的光学设计问题,推导出平像场远心三反系统初始结构尺寸参数和三级像差表达式.针对光谱范围0.4～2.5μm、F数为4、有效焦距720 mm和视场10°的设计要求,采用视场角离轴的方法,设计出次镜为凸球面镜、主镜和三镜共面且都为凹二次曲面镜以及...     

基于三维构建法的大视场低畸变自由曲面空间光学系统设计

为了满足空间遥感器对光学系统大幅宽、低畸变、小体积的要求,采用三维构建法设计了一个大视场离轴四反自由曲面光学系统,成像全视场为60°,相对孔径为D/f′=1/14。阐述了三维构建法的设计思路,并采用该方法直接由二次非球面系统设计得到自由曲面光学系统,作为初始结构进一步优化。优化之后,光学系统的平均传递函数优于0.5(25 lp/mm),最大相对畸变为0.54%。研究结果表明,三维构建法有效、快捷,极大地提高了自由曲面光学系统的设计效率。同时,基于三维构建法设计的大视场自由曲面光学系统,系统畸变显著减小,解决了大视场反射式光学系统传递函数(MTF)与畸变无法平衡的难题,满足空间遥感的未来发展需求。     

10°远心离轴三反消像散望远系统的光学设计

在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了成像光谱仪用远心宽视场、大相对孔径离轴三反消像散系统的设计问题,推导出了平像场、远心三反消像散系统初始结构参量和三级像差的计算方程.在给定系统像方焦距f ′和F/#的情况下,只要给定次镜对主镜的遮拦比α1和次镜口径D2的具体值,就可以得到一个平像场、远心三反消像散成像系统的初始结构,通过进一步优化可得到满足设计要求的结果.据此设计出一个光谱范围0.4～2.5 μm、焦距f ′=720 mm、相对孔径F/4、线视场角为10°的平像场、远心离轴望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为椭球面,在空间频率27.8对线/mm处,调制传递函数值大于0.85.