宽波段超大孔径反衍望远系统设计

二元光学器件除了能减小成像系统的体积、重量和成本外,还具有许多传统光学元件无法比拟的优越性.分别利用两个二元光学器件作为系统物镜和目镜,依据Schupmann望远系统设计了25 m口径超大孔径反衍混合望远系统,弥散斑大小以及MTF函数都能够达到设计要求.并提出使用谐衍射透镜代替普通衍射透镜,对系统进行了进一步改进,使望远系统获得较宽的光谱范围.研究结果表明,该望远系统无论是在单一光谱,多频带光谱或者连续光谱范围,都能够获得接近衍射极限的成像质量.     

成像光谱仪离轴三反望远系统的光学设计

视场宽、结构紧凑、体积小、质量轻是空间光学成像系统设计研究的热点.在共轴三反镜系统的几何光学成像理论基础上.从离轴三反望远系统的方案选择、初始结构计算、三级像差的校正及光学系统的优化4个方面,研究了成像光谱仪用宽视场、大相对孔径离轴三反消像散望远系统的设计问题,设计出一个光谱范围1.0～2.5μm、焦距f'=300 mm、相对孔径厂f'/4、视场角6.8°×0.1°的离轴三反望远系统,系统非球面最高次数为4次,总长约为f'/2,对于空间频率30 lp/mm处,调制传递函数值均大于0.8.     

大气湍流下超振荡望远成像的理论研究

为了实现大气湍流动态干扰下望远镜对远距离目标的超衍射极限成像, 采用光学超振荡原理局部衍射压缩光学系统点扩散函数, 并对提高成像分辨率效果进行了理论研究。结果表明, 中等湍流强度校正后, 波前残差均方根约为波长的1/15(波长λ=632.8 nm)时的干扰下, 超振荡光场调制能够实现望远系统点扩散函数的衍射压缩, 衍射压缩倍率为0.75;对不同中心间距双孔的成像研究验证了超振荡望远系统约0.80倍瑞利衍射极限的超分辨成像效果; 波前残差的均方根大小可能会导致望远系统点扩散函数的衍射压缩倍率和成像分辨率存在差异。此研究结果可应用于高精度星点定位、超分辨望远等领域。     

基于DSP的数码望远相机的研究与设计

随着DSP芯片的功能越来越多,围绕数字信号处理技术和智能化现代光学技术,设计了一款基于高性能DSP芯片的同步可调式双筒望远数码相机.结合高性能DSP芯片数字图像信号处理技术,对数码望远成像系统进行了分析、研究与设计,最终实现对实时远距离图像信息的获取、存储、转换和数字图像的传输与显示.     

一种反射共孔径式激光测距光学系统设计

基于激光测距系统的基本原理,结合反射系统的光学特性,引入光学环形器,设计了一种全反射共孔径式激光测距系统,激光发射系统与激光接收系统共用一个4倍望远系统,激光发射系统在其基础上后接一个5倍望远系统,激光接收系统在基础上后接一个激光聚焦光学系统。对系统进行公差分析与可靠性分析,确定了其加工材料、加工方法以及加工与装调上的精度与实际应用的可行性。为了节约加工成本,缩短加工周期,降低装调难度,系统较多使用二次曲面。整个系统成像质量好,能量集中度高,结构紧凑,重量轻,满足实际应用需求。     

靶场紫外望远系统光学设计

紫外(UV)波段是靶场光电测量的重要方式,但紫外波段目标信号弱,可选取的光学材料很少,这都为高分辨率紫外观测带来了困难。设计的用于靶场的大相对孔径长焦距紫外望远系统解决了上述问题,利用折反系统与二次成像的方法获得F数2、焦长400mm、视场1°、波段范围250~400nm的紫外光学系统。经过光学软件分析,望远系统各视场奈奎斯特频率(38lp/mm)调制传递函数(MTF)分别高于0.7。考虑到外场环境的适应性,进一步考察了望远系统在-40℃~60℃环境下的调焦量以及成像质量,分析结果表明,各温度下调焦后的奈奎斯特频率MTF均优于0.5,设计结果满足靶场设计指标与实际应用需求。     

局域空心光束尺寸变换的模拟及实验

不同尺寸的局域空心光束可囚禁不同尺度的微粒,在生命科学和纳米科技中具有重要的意义.提出了一种利用普通球面透镜望远系统来变换局域空心光束尺寸的新方法.利用几何光学方法进行了分析,采用ZEMAX光学设计软件实现光线追迹进行模拟.实验中拍摄并测量了经望远系统变换前后的局域空心光束的尺寸.结果表明,局域空心光束尺寸的变换比等于...     

空间高光谱成像仪的光学设计

空间高光谱成像仪是现代空间遥感器的新型载荷,设计的空间高光谱成像仪光学系统由前置望远系统和光谱成像系统两部分组成,对前置望远系统和光谱成像系统分别设计,再进行组合优化。前置望远系统采用离轴三反结构,在增大幅宽、提高成像质量的同时减小高光谱成像仪光学系统的畸变。为了保证光学系统结构的紧凑,前置望远系统采用视场分离的方式设计,进一步提高了光学系统的分辨率。凸面光栅是现代光栅刻划技术的最新成果,光谱成像系统采用次镜为凸面光栅的Offner光栅光谱仪,实现了光谱成像系统的高分辨率与小型化。组合优化后的高光谱成像仪光学系统幅宽大、体积小、成像质量好、光谱分辨率高、光谱通道数多,全视场全谱段MTF在Nyquist频率下高于0.7,成像弥散圆80%的能量集中在15 m范围内,小于探测器18 m的像元尺寸,均高于系统技术指标要求。     

用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题,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0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1:4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。     

宽光谱、大视场小畸变望远系统设计

设计了一个应用于成像光谱仪的望远系统,针对成像光谱仪的特点,由前置望远镜及后置光谱仪组成。前置望远系统的参数以及成像质量对整个成像光谱仪应用显得非常重要。设计了一个谱段范围1～2.5 m、视场为28.10.3、相对口径为1/4、焦距长度为60 mm的望远系统。系统在谱段1～2.5 m宽谱段范围内通过玻璃的匹配校正了色差及二级光谱,畸变控制在0.2%以内,很好地保证了与后续光谱仪的对接,此设计可用于航空领域进行大视场、高分辨率成像。     

星载大相对孔径宽视场成像光谱仪光学系统设计

高分辨率大相对孔径宽视场成像光谱仪已成为星载海洋水色遥感等领域的迫切需求,根据大相对孔径和宽视场的研究目标,采用折叠Schmidt望远成像系统与改进型Dyson光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个相对孔径1/1.2、视场3.9°,工作波段0.35~1.05μm的航天遥感成像光谱仪光学系统。基于像差理论,分析了改进型Dyson光谱成像系统球差校正原理。运用光学设计软件ZEMAX对成像光谱仪光学系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析。分析结果表明,光学系统在各个波长的光学传递函数均达到0.77以上,谱线弯曲和谱带弯曲均小于6%像元,便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,非常适合应用于航天遥感。     

迎接图像信息社会的来临

一、图像仪器 有些光电企业在过去制造的产品基本上是望远镜、瞄准镜、炮队镜、潜望镜、测距机、夜视仪、激光测距仪、照相机等。这些产品大都是望远系统,是视觉的延伸。除夜视仪、激光测距仪、热成像仪等外,都是经典的光学成像技术,是利用透镜、棱镜、反射镜、分划板等组成的目视成像系统。这些已经标准化,只要应用就是了。     

二维多项式位相光瞳滤波实现超分辨望远成像

为了对望远光学系统实现横向超分辨成像,设计了一种高斯特列尔比的二维多项式函数形式的位相型光瞳滤波器,分析了其对光学系统焦点附近光强分布的有益影响。理论分析表明,加入滤波器之后,与无滤波器时相比系统横向光学分辨率提升了1.33倍,同时斯特列尔比为无滤波器时的0.75倍。给出了该种滤波器与典型的三区型、四区型和一维多项式位相型光瞳滤波器的对比,从对比结果可知,二维多项式型滤波器的斯特列尔比为几种滤波器中的最优,且其横向分辨倍率仅次于四区型滤波器,但四区型滤波器的斯特列尔比过低,不适合应用于望远系统。研究了入射光视场角对应用该种滤波器的望远光学系统成像效果的影响,视场角不大于4时,具有较佳的超分辨效果。     

多波段共孔径光学成像系统的几种实现途径（特约）

借助微分方法,提出光学系统内的消波段间色差和波段内色差条件,建立了扩展的复消色差理论,通过对比各自波段和全波段的折射率-色差系数,进行材料配对,并迭代优化校正各类像差。由此介绍了几种多波段共孔径光学系统的实现途径和具体设计实例,包括:透射式结构的宽波段及多波段成像物镜光学系统;透射式结构的中波/近红外二次成像变焦系统;透射式结构的中/长波红外二次成像变焦系统;通过反求工程（Reverse Engineering）设计了AN/AAQ-33“狙击手XR”吊舱采用的中波/近红外共孔径透射式前置望远系统主光路;AN/ASQ-228 ATFLIR吊舱采用的共孔径离轴三反射式消像散前置望远系统主光路;AN/AAS-52 MTS-B吊舱采用的同轴偏视场三反前置望远系统主光路;EKV采用的同轴四反二次成像系统;拓展介绍了采用同轴折反式前置望远+后置成像结构的光路结构,包括同轴折反式中波/短波/近红外和长/中/短波红外望远系统+后置分光成像系统的设计;以及一些典型弹载光学系统共孔径或共光路的设计。     

用于光学像移补偿的红外望远光学系统

为提高搜索效率和目标探测概率,红外搜索警戒系统越来越多地采用了焦平面成像器件.工作时必须保证成像器件具有一定的积分时间,才能达到要求的信噪比,为此必须采取像移补偿措施。常用的光学式像移补偿利用位于望远光学系统后面反射镜的反向摆动,使场景的光学图像在积分时间内与焦平面成像器件相对静止,以消除平台在连续转动过程中产生的像移或拖尾。本文给出了一种像方视场角与物方视场角具有线性关系的红外望远光学系统,系统工作波段为7.7~10.3 μm,放大率为10×.该系统可用于采用焦平面探测器的搜索警戒装置,通过像移补偿反射镜或透射平板的摆动补偿平台转动时产生的像移,计算表明全视场范围内的残留像移不大于1 μm。     

光学合成孔径成像原理及图像复原技术

根据光学合成孔径系统成像原理,利用傅立叶光学理论得出了合成孔径系统的点扩散函数（PSF）和光学传递函数（OTF）,从这两个参数分析了合成孔径成像系统的性能;给出了使用维纳滤波算法进行图像复原的方法。分析和实验结果表明,用光学合成孔径系统和图像复原技术完全可以达到单个大孔径的成像观测效果。     

推帚式超光谱成像仪光学系统的选择

能量利用率和宽视场是目前空间光学系统设计研究的热点之一。着重从能量、视场两方面分析了短波红外推帚式色散型超光谱成像仪望远系统和光谱仪系统的结构特点和光学性能。结果表明：采用离轴三反结构的望远系统＋棱镜色散型光谱仪系统是比较好的方案。     

支撑面积对薄镜面形影响的研究

为了降低大口径光学元件的体积和质量,薄型镜面已被广泛应用于各类天文望远系统和高功率激光系统.对薄型镜面进行合理的支撑是一个必须解决的问题,支撑系统的设计对光学成像质量以及光传输过程都有明显的影响.针对多点支撑情况下,支撑单元大小对薄型光学元件面形的影响进行了分析,建立了圆口径薄型光学元件的有限元分析模型,计算了支撑单元大小不同情况下光学元件面形的P-V、RMS值以及PSD曲线,分别从空间域与频率域上得到了支撑单元大小与镜面面形畸变之间的响应特性,根据计算结果,给出了不同的光学系统选择支撑单元应遵循的基本原则.     

矢量像差理论在成像系统像差补偿中的应用(特邀)EI北大核心CSCD

随着应用光学领域的蓬勃发展,对于成像光学系统的像质需求越来越高。自由曲面的多设计自由度使其具有优异的像差补偿能力,常被用于高效像差补偿器件,而设计出具有良好像差补偿效果的自由曲面是提升系统像质的关键。这里基于矢量像差理论,介绍了一种针对成像系统像差补偿的Zernike型自由曲面设计方法。并以望远偏心系统作为实例,利用所提出方法设计了该系统的像差补偿自由曲面,并借助空间光调制器开展实验研究。仿真与实验结果均表明,所提出方法能够得到有效补偿望远偏心系统像差的自由曲面,像差补偿后光斑尺寸降低至补偿前的43.9%,其像差补偿效果优于传统标量像差理论优化法设计结果,该方法在自由曲面成像系统设计方面具有一定的应用研究价值。     

红外光学系统

1.实用的光学器件 1.1望远系统望远系统是物与像都在无穷远因而没有焦距的系统。它是由两个或更多的镜组所组成。两个镜组的排列是:第一镜组的象就是第二镜组的物,它正好位于第二镜组的第一