共形光学系统设计研究

设计了一个红外波段共形光学系统,并提出了整体解决方案.共形光学系统具有大偏心、大倾斜光学特性,因其特殊的光学结构须用瞬间视场和目标视场两个视场参量来描述,像差同时随两视场的变化而变化,使系统设计难度大幅增加.通过建立扩展形式的Wassermann-Wolf曲面结构、建立实际光线追迹模型与Zernike多项式模型相辅相成的像差评价体系,提出了共形光学系统整体设计方案,并给出了设计实例.实例结果表明,系统在整个目标视场范围内均得到较好成像质量.     

基于实际光线追迹的共形光学系统设计

提出了基于实际光线追迹的共形光学系统设计方法,获得了较好的设计结果.共形光学系统具有偏心、倾斜特性,需用两个视场参量来描述--关联视场和瞬时视场.随着关联视场的变化,系统的球差与各类轴外像差呈现出动态变化特性.共形光学系统中,像散和彗差是最重要的两种像差,强烈地影响系统成像质量.与一般的光学系统相比,共形光学系统光学设计难度进一步提高.已发表的有关共形光学系统设计的文章都基于泽尼克多项式像差理论,限制了系统像差的进一步详细分析.为此,通过建立实际光线追迹像差模型有效克服了上述难点.实例结果表明,该方法能有效指导共形光学系统设计.最后在整个关联视场内得到较好的成像质量.     

大视场凝视型红外共形光学系统设计

为提高导弹整流罩气动性能,增强导引头系统稳定性,增大观察视场,完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合,通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题,最终获得±90°的无渐晕观察视场,其冷光阑效率为100%,全视场MTF在15 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根半径小于30μm,在半径为50μm圆内能量集中度为93%以上,像面相对照度高于85%,满足大视场光学系统的成像要求。     

大扫描视场红外椭球形整流罩光学系统设计方法

应用椭球形整流罩的飞行器具有良好的空气动力学特性,但由于头罩的非旋转对称结构特性,后续红外搜索/跟踪成像系统难以同时实现大扫描视场与良好成像质量.为解决这一难题,提出一种基于拱形校正元件和动态校正器的椭球形整流罩光学系统设计方法,使用该方法设计的中波红外头罩光学系统具有±54°的超大扫描视场,且成像质量在整个扫描和瞬时视场内接近衍射极限.     

利用后置式固定校正板进行共形光学系统像差校正

共形整流罩具有良好的空气动力学性能,但非球面的外形引入了随观察视场不断变化的非轴对称像差,通常采用固定校正板和动态校正机构来补偿各观察视场中整流罩引入的大像差和动态像差。为避免动态校正机构对系统稳定性造成的影响,提出了将固定校正板置于实际成像系统后或实际成像系统中的大像差和动态像差的补偿校正方案。软件模拟结果表明:将折衍混合固定校正板后置的折反式共形光学系统模拟结构能够获得动态范围仅为0.12个波长的点斑设计结果,且系统避免了动态像差补偿机构的使用,有利于稳定性的提高。     

中波红外弹载共形光学系统研制

以优化系统整体性能为目的,针对弹载跟踪系统,设计了一种基于共形光学整流罩的红外光学系统。首先,根据载弹信息,通过数值仿真计算及相关验证风洞试验,得到共形整流罩外曲线;通过优化分析,得到整流罩内曲线。应用Wassermann-wolf方程,结合Zernike多项式像差分析方法,设计两片固定式校正片,用于校正共形整流罩带来的附加像差。选择F=2的制冷型中波红外探测器,设计折反式成像光学系统,通过ZEMAX软件优化共形光学整体系统,并进行了公差分析。共形光学系统焦距120 mm,冷阑效率100%,设计传函在各视场范围内均大于0.6,公差分析后,均大于0.4。通过成像测试试验,结果表明,共形光学系统成像质量良好,满足跟踪设备对光学成像系统的要求。     

超音速共形光学系统动态热差实时校正研究

随着科技的发展,高速度飞行器对成像质量的要求越来越高。研究了含共形整流罩系统在超音速飞行时由于摩擦生热对其产生的光机性能影响,设计了应用长径比为1的共形整流罩的共形光学系统,系统采用楔形镜进行视场扫描,瞬时视场2=4,扫描视场2=60,完成了速度为3Ma、攻角为0共形整流罩空气动力学仿真实验,得到了共形整流罩在超音速飞行情况下的表面温度分布值,通过流固耦合,计算出整流罩在高速飞行时不同时间段的面型变化量。通过拟合,将热形变量以Zernike系数的形式施加到共形光学系统中,观察其对成像质量的影响。结果表明:共形整流罩在飞行中所引入的动态像差会对光学系统的成像质量产生影响。为保证系统精度,文中通过采用空间光调制器（Spatial Light Modulator,SLM）对不同时刻的像差进行校正,校正后系统成像质量接近衍射极限,实现了对共形光学系统在高速飞行下所产生的动态热像差进行校正,对高精度飞行器有着重要科学意义。     

折反式大口径、大视场、宽光谱光学系统

在地面的目标探测光学系统多采用大口径(500 mm)同轴光学系统的前提下,系统探测的大视场和宽光谱就成了亟待解决的问题。设计了附带小口径球面透射校正镜组的折反式光学系统,利用该校正镜组校正了系统由于大相对口径、大视场和宽光谱带来的像差,使系统达到了预定的指标要求。其中只有主反射镜面形为二次非球面,设计参数也易于加工。在相应的实例要求下,用ZEMAX光学设计软件进行了优化评价,并给出了该系统的对星观测结果。该光学系统设计的口径为Ф750 mm,相对孔径为1:1.32,视场为4 ,光谱范围为500~800 nm,系统实际探测能力在15 Mv以上。该系统结构简单,均采用普通玻璃材料,成本低,成像质量良好。     

基于轴向移动柱面-泽尼克校正元件的动态像差校正技术

椭球形窗口光学系统最显著的特点在于其依赖扫描视场的动态像差变化特性,像散和彗差成为影响光学系统成像质量的主要因素,其中像散的影响最为突出。为解决这一难题,结合柱面透镜和泽尼克位相板的特点,提出了一种新颖的动态像差校正方法,即柱面-泽尼克元件校正方法,此元件的外表面为一对母线互相垂直的圆柱面,对应的两个内表面为泽尼克边缘矢高表面。该方法随扫描视场的变化实时地调整一对柱面-泽尼克校正元件间距以实现椭球形窗口引入像差的动态校正。突破了固定校正元件无法实现超大扫描视场的瓶颈。设计实例中成像光学系统实现了±55°扫描视场,各扫描视场像散和彗差的泽尼克像差系数P-V值校正到了±0.8个波长以内,椭球形窗口光学系统的成像质量得到了明显的提高。     

基于衍射光学的大视场卡塞格林光学系统设计

为了改善卡塞格林光学系统的视场,将衍射透镜成功地引入大视场卡塞格林光学系统的设计中,并给出了设计方案.该系统在次镜后使用了2个校正透镜,且第1个透镜的前表面具有衍射面,能在3.6°视场内获得接近衍射极限的成像质量,各视场的波前差均小于1/4波长,光学传递函数(MTF)接近衍射极限.设计结果表明,衍射光学元件(DOE)对于改善卡塞格林系统的视场具有重要的作用,此设计方案降低了对加工工艺的要求,大大降低了成本,结构紧凑且具有良好的消像差特性.     

大口径哈特曼扩束系统的设计和研制

论述了用于哈特曼波前探测系统的透射式光学扩束器的研制.以三级像差理论为基础,分析了传统扩束器没能很好校正轴外像差的原因,在推导计算出初始结构参数后,通过ZEMAX光学设计软件,设计出轴上和轴外像差都得到很好校正的、大口径、大相对孔径、视场可增大的新型扩束器.并根据此哈特曼扩束系统的实际使用要求,考虑支撑受力与热变形等因素,为光学元件配以相应的结构设计,给出了具体的设计实例.介绍了加工过程与调整方法,提供了检验方式.最终验收得到波前PV值为λ/4.     

基于红外波段的大视场谐衍射透镜设计

针对目前光学设计中,通过增加光学元件数量、限制视场角等方法来平衡像差,导致光学系统较复杂的问题,提出了一种基于红外波段的大视场谐衍射透镜设计方法。使用光学设计软件Zemax进行光学设计,使用DLL编写了一种可以自定义的表面面型,使用这种表面进行分区优化,并结合标量衍射理论进行了成像效果分析。结果显示,所设计的谐衍射透镜具有21°的视场角,截止频率(以0.1作为对比度极限)为11.4 lp/mm,并通过实验验证了该透镜的大视场单透镜成像的可行性。     

含特殊整流罩的红外光学系统设计

提出了一种有效的特殊整流罩及其像差校正器的设计方法,运用Wassermann-Wolf微分方程组(W-W方程组)的原理,通过在商业光学设计软件中编译宏程序曲面拟合的方法得到校正器最佳面形,从而可以校正整流罩引入的球差、彗差,使系统成像质量得到较大的改善.文章在基于W-W方程的基础上,针对应用于红外系统的特殊整流罩做了实际方案设计,研究的光学系统工作谱段为中波红外,视场大于3.5度,F数F/1～F/2.5,系统采用了复杂化的R-C系统,最终成像质量达到衍射极限,可以满足特殊条件下的红外谱段成像要求,具有较高的实用价值.     

基于渐近解的成像电子光学近轴横向像差理论及其验证

在成像电子光学系统的横向像差中,近轴像差是整个像面普遍存在、且影响图像中心像质的主要像差,并决定了系统的极限分辨率.本文由电子光学近轴方程的渐近解推导了近轴横向像差的普遍表示式,并通过一两电极静电同心球系统,推导了近轴轨迹特解的渐近解和精确解的解析表示,给出了二级和三级近轴色球差以及三级近轴放大率色差的表达式,证明了基...     

共形光学头罩及其像差校正方法研究——综述

为了使高速红外光电制导导弹拥有良好的空气动力学性能,可以采用共形头罩来代替传统的球形头罩。根据共形光学校正元件的不同,归纳整理了七种不同的校正方案。其中,轴向平移相位板、反向旋转相位板、尼克泽楔形板和变形镜属于动态校正;固定式校正和拱形校正属于静态校正;还有一种为静态和动态相结合的校正方案。着重讨论了固定式校正方法,并给出了几种常用的校正表面类型。共形光学是高速红外光电主动制导导弹发展的关键技术之一,对其研究工作具有重要的现实意义。     

一种新的头盔显示器光学系统设计方案

设计了一套新颖的透视式液晶头盔显示器的光学系统,取消了中继光学系统,采用二元光学元件消除像差,采用全息护目镜作为光学组合玻璃．和传统的光学系统相比,质量小,体积小,结构紧凑,像差和畸变小,成像质量好．