大视场紫外告警相机光学系统研究与设计

为了提高紫外探测器系统的信噪比,确保紫外告警相机的低虚警率,分析与研究了大视场紫外光学系统的结构型式,采用反远距、准像方远心光路,实现了大视场光学系统的像差校正,使系统具有优良的成像质量及均匀的像面照度.设计了波段范围为0.254~0.272μm、视场角为110°、相对孔径为1/3的光学系统.系统成像质量良好,畸变小,像面照度均匀.成像质量分析结果表明:全视场最大弥散斑半径小于53.7μm,轴上、轴外视场像面照度均匀性小于15%,0.85视场的相对畸变小于20%,满足紫外告警相机的使用要求.     

大孔径折反射光学系统研究

本文介绍了一种大孔径折反射光学系统,该系统采用同心结构型式,象面是弯曲的,当相对孔径为1:0.8,全视场角为40°时,象面最大弥散均方值直径为 0.013 mm,对于80lp/mm的特征频率,其调制传递函数在0.4以上。     

大视场光学系统像面照度均匀性优化

为提高大视场光学系统像面照度的均匀性,从理论上分析了光学系统像面照度的影响因素,提出使用中心遮拦产生的轴外斜光束截面积与轴上光束截面积之比对像面照度进行优化的思路。以理想系统建立数学模型,得到了中心圆形遮拦影响下不同视场角光束截面积比值的变化规律,并分析了遮拦对调制传递函数(MTF)的影响。进一步提出采用Zemax与Matlab软件动态数据交换(DDE)进行像面照度自动计算优化的方法。以某焦距56mm,相对孔径=1/5.6,视场角2ω=80°的航测镜头为例进行了优化,通过在光学系统第5表面上增加半径为4.384mm的中心遮拦,像面照度的不均匀性由优化前的22.3%降低至3.5%,均匀性明显改善。在优化实例中讨论了MTF曲线的变化,指出采用中心遮拦后的传函指标仍满足CCD探测器成像使用要求。     

大相对孔径、大视场、紧凑型空间光学系统设计

设计了一种基于改良曼金反射镜的大相对孔径、大视场的光学成像系统,分析了改良曼金反射镜的像差,提出了改良曼金反射镜的设计方法。系统采用改良曼金反射镜和折反式光学系统结合的形式,相对孔径为1/1.8,视场角为4°×4°,工作波段为450～850 nm,焦距为380 mm,成像探测器像元为2μm×2μm的互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器,在250 lp/mm Nyquist频率处的调制传递函数值接近衍射极限且大于0.5。系统次镜采用曼金反射镜和消色差透镜结合的形式,基于系统初始结构初步优化分析所得的球差、正弦差,采用PW法求解出消色差曼金反射镜的光焦度;基于消色差条件和系统剩余色差,求解出消色差曼金反射镜3个表面的光焦度,计算得到了表面的曲率半径。系统的单色像差及色差均较小,成像质量好。     

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...     

双波段CCTV鱼眼镜头光学系统设计

根据CCTV（closed circuit television）镜头的使用需求,以“非相似”成像原理为基础,设计了一款双波段CCTV鱼眼镜头。系统工作波段480 nm～850 nm,可见光和近红外光双波段成像,可实现昼夜监控。镜头F数1.8、视场角1800、焦距1 mm、光学总长7.76 mm,具有大相对孔径、大视场角、小型化等特征。采用7组9片式反远距结构,无特殊玻璃、无非球面,大大降低了系统复杂化程度和加工制造成本。利用光学设计软件Zemax对其进行光学系统设计,选取1/3英寸CCD作为探测器,在奈奎斯特频率120 lp/mm时,其各个视场的子午调制传递函数曲线和弧矢调制传递函数曲线值均达到0.5以上,接近衍射极限,成像质量很好。全视场场曲均小于1 mm,相对畸变小于25%,相对照度在95%左右,满足CCTV镜头的使用要求,可广泛用于监控侦察等领域。     

大相对孔径超紧凑型红外光学系统设计

针对目前低成本、小型化、长焦距非制冷热成像系统要求光学系统具有成像质量高、相对孔径大、结构尺寸小、温度适应性广的特点,在对多种实现超紧凑型光学系统结构的分析比较基础上,选用折反式结构,设计了一种大相对孔径超紧凑型红外光学系统。该光学系统的相对孔径达到了1/0.89,远射比达到了0.67。结合该光学系统的结构特点,仅使用Ge材料即实现了-40℃~60℃温度范围内的被动无热化设计。采用杂散光分析软件对系统进行了杂散光分析,提出了合理的杂散光抑制措施。设计分析结果表明:该光学系统在工作温度范围内像质优良(其在不同环境温度下的调制传递函数均接近衍射限)、体积结构紧凑,杂散光可控,可满足小型化、长焦距非制冷热成像系统的使用需求。     

微光全景光学系统设计

根据微光像增强器成像特性,设计了微光全景光学系统,采用反射式前组与透射式后组结构。重点阐述反射式前组的设计方法,并据此设计优化得到了性能优良的成像系统。该系统有效焦距2.43 mm,工作波段0.4 m～0.9 m,有效工作F数1.5,水平视场360,垂直视场30～100。设计结果表明,系统全视场f 畸变小于6%,调制传递函数在24 lp/mm处大于0.3,系统指标满足成像要求。     

大视场四象限探测光学系统设计

为了实现大视场激光探测跟踪,分析了大视场激光探测光学系统的研制特点。首先,根据四象限探测对光学系统光斑均匀性的要求,结合系统的指标参数,选定合理的光学结构型式,提出像差校正的设计方案。然后,基于ZEMAX软件完成大视场四象限探测光学系统设计,并利用点列图、光线足迹图、包围圆能量定性评价系统光斑质量;通过TRACEPRO光学分析软件,得到探测器靶面的光线照度分布。最后,依据设计结果完成光学系统的加工装配及性能测试。测试结果表明：激光探测系统线性视场为±6°,测角精度优于0.15°,并根据实测数据针对线性视场进行曲线拟合,与理论曲线相符,验证了设计结果的正确性。     

同时实现路面照度与亮度均匀性的LED光源光学系统研究

对于道路照明,人眼观察到的是路面的亮度而并非路面照度。理想的路面照明应能达到照度和亮度的双重均匀性。从发光二极管(LED)道路照明中路面亮度与照度的关系出发,提出了一种基于路面反射特性同时实现路面照度与亮度均匀性的设计方法。首先根据国际照明委员会(CIE)标准给出的简化亮度系数表计算路面上所有点的亮度系数;然后利用最小二乘法对路面照度和亮度同时进行分析,得到路面最优照度分布;最后采用分离变量与最小能量块迭代结合的方法对光源以及接收面进行网格划分,根据目标照度分布进行三维自由曲面光学系统设计,得到实现路面照度均匀与亮度均匀的光学透镜。将此设计应用于双车道的C1路面,实现了路面93.47%的照度均匀度,各车道观察到的路面总亮度均匀度为86.94%和89.26%。     

基于Dyson结构的新型快照式分光成像系统光学设计

快照式光谱成像系统可实时获取运动目标的光谱图像,在动态目标跟踪和识别等领域有着迫切的应用需求.快照式光谱成像系统的光谱分辨率与空间分辨率相互制约,针对现有快照式分光成像系统数值孔径小、难以同时实现高光谱分辨率和高空间分辨率的问题,提出了一种基于Dyson同心结构的新型快照式分光成像系统,它具有数值孔径大、成像性能优和结...     

全景三维立体头盔显示光学系统设计

为了满足全景三维立体头盔显示器(HMD)对大视场(FOV)、小畸变、高分辨率以及轻量化的要求,设计了全景三维立体HMD的目视光学系统。采用4×3阵列式排列的12组相同的FOV角为33°×24°的高质量成像的目镜光学系统拼接成单眼目视光学系统,实现系统的大FOV设计。利用二元衍射面和非球面校正目镜光学系统的初、高级单色像差以及色差;使用有机光发射二极管(OLED)微显示器作为图像源,设计结果表明:单眼目视光学系统水平FOV达到120°,垂直FOV为60°,角分辨率为43pixel/(°);传递函数在45lp/mm处轴上FOV高于0.68,周边FOV高于0.45,系统畸变小于0.2%;系统的双目FOV为160°×60°,双目FOV重叠为80°×60°,系统重量约为91.2g。系统设计满足头盔显示光学系统的成像要求,并且实现了系统的轻量化以及低成本。     

双波段成像光学系统调焦过程的成像误差分析

双波段成像光学系统要达到像素级图像融合,两幅待融合图像间的空间差异要保证在一个像元范围内,因此必须从光机结构设计的层面上保证两个成像光学系统的光轴平行性达到所要求的精度。而由于制造、安装等误差的存在,光学系统在调焦过程中不可避免地会导致其光轴发生偏移。运用Zemax对调焦过程中影响光轴平行性的因素进行了仿真分析,并对光学系统进行了建模、成像误差分析与计算,最后得到了红外系统中可调焦镜片和可见光系统的最大容许安装误差,对于实际光学系统的装调具有一定的指导意义。     

空间双波段成像光谱仪红外光学系统的设计

分析了空间双波段成像光谱仪光学系统的光学特性，提出利用光学材料间焦距位移系数的互补性，实现光学系统消热差、消色差设计方法，建立了一组既消热差又消色差的方程组. 给出了利用这种方法设计的视场角10°，焦距100 mm，F数为1.98，温度范围在－20℃~70℃，工作波长为3~5 μm和8~11 μm具有100％冷光栏效应的双波段消热差、消色差光学系统，分析了系统各波段传递函数、波前差及像面位移随温度变化关系.     

Polarization-Sensitive Spectral Interferometric Optical Coherence Tomography for Human Skin Imaging

Polarization-sensitive spectral interferometric optical coherence tomography (PS-SI-OCT) is designed for imaging of the inner structure of a biological tissue with polarization properties corresponding to Müller matrix elements. With arbitrary polarization state of incident and reference light, the change of polarization state can be acquired, and the axial structure of the tissue is measured by single detection of the power spectrum, superposition of object and reference light. Using with this OCT system, a cross-sectional Müller matrix images of human skin can be observed.     

静止轨道星载差分吸收光谱仪CCD成像系统设计

静止轨道卫星差分吸收光谱仪采用摆扫成像方式对大气进行探测,针对其工作时CCD成像系统信噪比大于1 000、高速探测模式下探测周期小于10min、高分辨率模式下探测周期小于1h的要求,进行CCD成像系统设计.选取CCD47-20作为探测器,设计成像电路实现光谱图像信号的采集和上传.分析了帧叠加和像元合并对时间、空间分辨率的影响.结合帧转移CCD的特点设计了每个位置最后一帧读出时摆镜转动的成像方式,并合理设置了帧叠加数和像元合并数,达到优化成像周期的目的.1s曝光时间条件下,该CCD成像系统的高速、高分辨率模式探测周期分别为515s和3 315s,图像信噪比均大于1 000,污染物观测实验中未出现失帧或重复的现象.该CCD成像系统方案满足静止轨道星载差分吸收光谱仪的探测需求,为静止轨道环境监测仪器设计提供参考.     

高分辨率制冷型中波广角红外成像系统的光学设计

设计了一个F数为2,工作波段为3.7～4.8μm,全视场2ω=111.2°的高分辨率制冷型中波广角红外成像光学系统。该系统采用二次成像构型,通过Si、Ge、ZnSe三种材料六片式对称布局,利用折/衍混合器件及非球面,实现了光学被动消热差设计,使系统在-55℃至+80℃的宽温范围内,在空间频率为33lp/mm处的光学传递函数(MTF)均大于0.4,系统在15μm的像素尺寸内,能量集中度大于70%;采用f-θ设计,使成像系统对不同视场具有相同的角分辨率;通过引入光阑像差和控制像方视场角,使像面具有较好的均匀性,边缘视场最低相对照度为中心视场的90.9%,且具有近100%的冷光阑效率,同时,系统具有较好的冷反射抑制效果,该光学系统适用于像素为15μm,分辨率为640pixel×512pixel的中波制冷探测器。     

基于二元光学的红外成像光谱仪离轴系统设计

对Lyons采用二元光学元件的红外成像光谱仪的设计理论进行了分析，为消除其二元光学元件作为透射式成像元件导致的焦距随波长的变化而变化的缺陷.提出将离轴三反射镜系统与具有二元光学透镜的变焦距系统相结合的新技术方案，并从军事目标的红外热探测的基本要求出发，给出了具体的设计实例.设计结果表明，系统具有设计精巧、结构简单、光能接收率高、消像差特性好、对材料的要求低以及满意的红外焦平面凝视阵列探测器的配准精度和探测精度.