单一反射镜和两透镜无光焦度校正板的光学系统的像差特性分析

讨论了由单一二次反射镜和放在其后的两透镜无光焦度校正板组成的光学系统的像差特性，根据像差理论分析了消像差的条件，研究了遮拦比和无光焦度校正板单透镜的光焦度对系统性能的影响，并给出了遮拦比和无光焦度校正板单透镜的光焦度的最佳选择范围。     

长焦距同轴四反射镜光学系统设计

低成本、高性能对地遥感微纳卫星是当前研究和开发的热点，为适应微纳卫星平台，要求空间相机具备小型、轻量化的特点。在其体积和质量的限制下，设计结构尽可能紧凑的长焦距大视场望远物镜是成功研制高分辨率对地遥感光学相机的关键，研究利用同轴四反射镜系统解决这一问题的可能性。首先，介绍无二次遮拦同轴四反射镜望远物镜的组成与工作原理；基于近轴光学和初级像差理论，导出几何约束条件和初级像差公式，给出结构紧凑的长焦距同轴四反镜系统的设计思想与方法；最后给出举例及设计结果。优化设计了全视场角11、有效焦距2 100 mm、F数为7的同轴四反射光学系统，总长228 mm，约为有效焦距的1/9，结构简单紧凑，像质接近衍射极限。     

基于1.06/1.54μm激光的离轴折反式平行光管物镜设计

设计了λ1=1.06μm,λ2=1.54μm,f=1000mm,D=167mm,2ω=0.6°的平行光管物镜,由于系统要求低成本、中心无遮拦且结构简单紧凑,故采用离轴折反射结构形式.初始结构中,主镜采用抛物面反射镜,在其成像光束中加入一个光焦度为零且有空气间隔的同种材料组成的双透镜组,消除了正弦差.同时为了减小补偿透镜组的口径,使它们适当地靠近像面位置.利用ZEMAX优化结果表明传递函数达到衍射极限,完全满足设计要求.     

20~×长波红外连续变焦光学系统设计

针对384×288长波量子阱焦平面探测器,设计了一个变倍比为20×的长波连续变焦光学系统,其工作波长范围为8～9 m,F数为3,可实现18.5～367mm的连续变焦。该系统由机械补偿变焦物镜和二次成像系统组成,包括6片透镜和2片反射镜,具有大变倍比、高分辨率、小体积、高像质等优点,并用ZEMAX光学设计软件进行了仿真计算和像质评价,在奈奎斯特频率20 lp/mm处,系统全焦距范围内的MTF接近衍射极限。     

摄远型红外8~12μm波段消热差物镜设计

介绍了一种摄远型长波红外消热差物镜的设计方法.将摄远物镜模型与消热差模型相结合,推导出之间的光焦度分配关系,并将二者统一起来,直接得到摄远型消热差物镜的光焦度分配关系式.首先,根据摄远物镜的设计方法进行物镜的设计,在满足远摄比的情况下结合像差理论合理选择最优的前组和后组光焦度解;然后采用光学被动消热差方法,进行消热差设计,选择材料组合,分配组元内部各透镜的光焦度;最后利用计算机辅助软件进行像差校正.为了验证该方案的可行性,设计了一个工作于8~12 m,焦距100 mm,F数为2.0,全视场角为6,远摄比达到0.8的长波红外消热差光学系统.在-40~60 ℃温度范围内,成像质量稳定,调制传递函数(MTF)接近衍射极限,并且体积小、结构简单,质量轻.所设计系统优化后的光焦度分配值和初始计算值非常接近.     

光学补偿中波红外变焦光学系统设计

针对320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一个变倍比为12x的中波光学补偿连续变焦光学系统.该系统由7片透镜和两个反射镜构成,可实现26.7mm/80mm/160mm/320mm四档变焦,工作波段为3.7～4.8μm,满足100%冷光阑效率.设计结果表明,该系统具有结构简单、透过率高、体积小、像质高等优点.     

90°离轴角红外滚仰式导引头光学系统

介绍了一种光机一体化结构的滚仰式红外导引头光学系统。光学系统的部分组件通过四块反射镜嵌入万向节支架,万向节支架由N360运动的滚转框架和90运动的俯仰框架组成,双框架结构进行滚仰式运动,使光学系统具有前半球的观察视场。光学系统为二次成像结构,由前组一次成像物镜、中继镜和后组倒像物镜三部分构成。由于导引头内部存在大的热梯度,前组需要单独消热差,而中继和后组共同消热差。利用热差互补原理的消热差设计方法获得各个透镜初始的光焦度,再由ZEMAX光学设计软件进行像差校正。分析结果表明,当环境热沉浸温度或热梯度温度从-40~80 ℃变化时,成像质量保持稳定,调制传递函数（MTF）接近衍射极限。光学系统满足光、机、热一体化设计要求。     

超轻小宽视场高分辨无人机机载相机光学系统设计

针对无人机光学载荷宽视场、高分辨、轻小型、实时成像等需求，基于级联光学结构设计了一种折叠式级联相机光学系统。该光学系统主要由前置折叠同心物镜和中继转像透镜阵列组成。前置折叠同心物镜获取宽视场中间像，位于前置折叠同心物镜的同心球面上。中继转像透镜阵列对同心球面上的宽视场中间像进行视场细分、剩余像差精细校正和中继成像。优化设计得到了全视场角为109.6°、瞬时视场为7.8″，筒长仅为107 mm的折叠式级联结构相机光学系统。在全视场范围内，像面上各处光线追迹点列图的均方根半径均小于1.1μm，在空间频率230 lp/mm处，各视场调制传递函数值大于0.4，系统成像质量接近衍射极限。这种折叠式级联结构无人机机载相机光学系统视场大、分辨率高、结构紧凑，可用于无人机遥感领域，在大视场范围内获得高分辨率光学像的同时，还可实现光学系统的小型化和轻量化，具有广阔的应用前景。     

高质量七片式扫描透镜

本文讨论的扫描透镜为七片,可适用于激光、红外系统。第一组具有负光焦度,第二、三组几乎没有光焦度,第四组具有正光焦度。该恒速度的扫描透镜系统具有小的F数、大的扫描角。     

大口径菲涅耳透镜远距离宽光谱聚光系统设计

针对使用光纤光谱仪探测远距离宽光谱弱信号的应用需求,基于成像光学与非成像光学的混合设计方法,设计了大口径菲涅耳透镜聚光系统。系统由直径为1.1 m的菲涅耳透镜、匀光棒、全反射准直器和中继透镜组组成,接收端为直径为2 mm、数值孔径为0.22的光纤束。大口径菲涅耳透镜具有质轻体小的优点,解决了传统大口径透镜体积大质量大的问题。由匀光棒和全反射准直器组成的非成像光学元件后组可减小由菲涅耳透镜口径增大引起的球差和宽光谱色差,使光信号能量分布更加均匀且出射角度减小;中继透镜组进一步控制光束发散角和光斑尺寸,使光信号在光纤束端面高效率耦合,提高系统的光能利用率。仿真和实验结果均表明,所设计的后组系统能够减小像差影响,有效控制光束发散角度和光斑尺寸,提高光能利用率,满足光纤光谱仪对远距离宽光谱弱信号进行光谱探测的需要。     

大相对孔径宽光谱星敏感器光学镜头设计

为了提高星敏感器相对孔径,拓宽探测光谱范围,文中通过探测器灵敏度模型的计算,确定了星敏感器光学系统的设计参数,进而设计了一款基于卫星平台的星敏感器光学镜头。该镜头由7片球面透镜组成,光谱范围为500~800 nm,焦距为50 mm,相对孔径为1/1.25,视场角为8.458.45（对角线视场角为11.96）,总长83.33 mm。镜头采用像方远心光路,减小了因像面离焦及其他因素引起的测量误差。优化后的镜头畸变小于0.5%,质心色偏差控制在2 m内,能量集中度（33像元内）大于80%,最大倍率色差为-0.073 m,轴外视场的弥散斑能量集中度和轴上视场基本一致。对比不同温度下的光学系统,焦距变化量很小,验证了无热化设计要求,镜头的成像质量良好。     

胶合式全景环形透镜的设计

介绍了一种新的胶合式全景环形透镜(PAL),改善了全景环形透镜的设计自由度,使全景透镜承担部分校正色差的任务,简化后继透镜组的结构,减少杂散光生成,缩小长焦距全景环形透镜光学系统的体积,并扩大系统的视场.对全景环形透镜的色差和视场进行了理论分析,给出了选择新型全景环形透镜胶合玻璃材料的方法.设计了一个双片胶合式全景环形透镜及其后继转像透镜组,系统焦距为10.3mm,总长170 mm,孔径为f/3.7,PAL最大口径为70mm,光谱范围为0.486-0.656 μm(可见光谱).后继转像镜组由8片透镜构成,系统后焦距(BFL)为17 mm.实验结果证明系统像差校正良好.     

红外双波段光学系统被动式消热差设计

为提高红外光学系统的目标探测识别能力,增强其温度适应能力,在分析红外材料在中波和长波红外波段的色差与热差特性的基础上,根据系统光焦度分配、双波段轴向消色差和双波段消热差等要求,利用红外色差图合理选择光学材料组合,设计了一款中波和长波红外双波段消热差系统,系统采用非制冷探测器,工作波段为3~5 m和8~12 m,由4片透镜组成,焦距为50 mm,相对空间为1:1.25,全视场角为14,总长67.9 mm。设计结果表明:在温度范围-50~60 ℃范围内,在空间频率为17 lp/mm处,系统在中波和长波波段的MTF值均大于0.4,表明系统有较强的温度适应性。     

新型紧凑型大相对孔径可见光光学系统

针对空间碎片探测相机光学系统的使用要求,借助衍射光学元件特殊的消色差和消热差特性,提出了一种结构紧凑、成像质量良好的大相对孔径空间碎片探测相机光学系统结构,解决了以往该类系统相对孔径小、结构复杂等不足的问题,给出了100mm 焦距,1/1.5 相对孔径,6对角线视场的设计实例,并进行了像质评估,该结构可满足空间碎片探测相机光学系统对能量集中度、弥散斑直径、垂轴色差、畸变、热差等像差的要求。结果表明,衍射光学元件的使用实现了系统轻量化、小型化、高像质的设计要求,大大提高了该空间碎片探测相机的成像性能,为该类系统的设计提供了一种新的思路。     

激光半主动光学系统设计与可视化检测

激光制导是当今最常用的制导方式之一,激光半主动光学系统性能的优劣直接影响其制导精度。提出了一种激光半主动光学系统像差优化设计方法,通过赋予不同的球差与离焦量实现激光半主动光学系统初始结构设计,通过对非对称像差优化实现光斑均匀化设计,设计并研制了折射式激光半主动光学镜头,光学系统工作波段1064 nm,视场为±9.2°,光斑大小5 mm,能量分布均匀;为解决激光半主动镜头不能单独检测的问题,提出了利用色差特性实现镜头低成本可视化检测的原理,并搭建了激光半主动光学镜头的可视化检测系统。镜头的测试结果表明,光斑大小满足设计要求,低成本可视化检测系统大幅提高了镜头检测效率,并易于工程化,批量化生产。     

空间激光通信离轴两镜反射望远镜自由曲面光学天线设计

同轴两反结构作为空间激光通信光学天线时常存在接收视场小、发射效率低等缺点。同时,因中心遮拦造成的能量损失,也会大大降低通信系统的瞄准和捕获概率。针对此缺陷,提出采用离轴两反天线结构并引入自由曲面设计以提高通信系统的性能。由初级像差理论推导得出离轴两反系统的初始结构,并采用Zernike多项式自由曲面面形,增加系统设计自由度,提高系统平衡像差的能力。给出入瞳口径与焦距相同的同轴两反和离轴两反系统的设计实例,并比较二者的光学传递函数MTF、点列图、衍射包围圆能量、波前误差等。结果表明:离轴两反自由曲面天线的像质明显优于同轴两反天线,因而该种天线结构的使用可提升空间激光通信系统的整体性能。     

基于谐衍射元件的新型光子晶体光纤熔接机校准系统设计

通过分析光子晶体光纤特殊的单芯、多气孔结构及在熔接中传统校准方法的局限性,研究了光纤熔接机中校准系统结构的关键技术.利用谐衍射透镜体积小,衍射效率、精度高等特点,设计了基于谐衍射透镜的离轴光学校准系统.在可见光单波段成像,不仅有效地消除了系统的色差、彗差,大大提高了衍射效率,而且很好地完成了系统像差校正,通过该系统,准确地得到了清晰的PCF截面图像.比较两端面的PCF图像,再对光纤进行空间坐标的调整,即可实现光子晶体光纤熔接中光纤的精确对准.     

应用六阶波像差理论的鱼眼镜头系统设计

鱼眼镜头系统具有平面对称、超大视场、大孔径成像等特点,使得其设计十分复杂。波像差理论是研究光学系统的重要手段,由于鱼眼镜头系统具有平面对称的成像特性,赛德尔初级像差和基于轴对称光学系统发展的高阶像差理论不再适用于鱼眼镜头系统的像差分析和设计。介绍了六阶波像差理论,包括六阶本征波像差、五阶像差、衍生波像差及孔径光线二阶精度对波像差的影响,给出六阶波像差理论设计鱼眼镜头系统的流程图,应用六阶波像差理论设计鱼眼镜头前光组,由其前光组与后光组像差平衡设计了后光组。最后得到一成像质量良好的鱼眼镜头系统,该镜头的焦距为5.989 mm,视场角为180°,相对孔径为1/3.2。设计结果表明,该鱼眼镜头系统的调制传递函数（MTF）数值在空间频率为60 lp/mm时均不低于0.56,具有较好的成像质量。     

光子筛透镜组合的折衍混合消色差系统设计

光子筛作为一种衍射光学元件,具有较大的色散,不适用于宽光谱成像。光子筛的焦距随着入射波长的增大而减小,而正的折射透镜焦距随着入射波长的增大而增大。应用了折衍混合方法进行光子筛消色差的设计。该设计利用二者相反的色散特性,在光子筛的一侧紧密放置一平凸透镜,从而实现光子筛的消色差设计。并针对可见光光谱进行了设计,分析表明该方法能够实现消色差,且具有一定校正二级光谱的能力,消色差波长与中心波长处焦距相对误差为0.33%,成像光谱带宽为20nm。与普通单个光子筛相比,该方法有效拓宽了光子筛的成像光谱范围。与使用波带片的折衍混合系统相比,聚焦光斑更小。