多波段光谱接收与可见光成像共孔径光学系统设计

为满足对飞行目标的多维光谱探测和可见光成像需求,设计了一款基于卡塞格林望远镜结构的共孔径光学系统。系统前端由同轴两反系统组成,主镜为抛物面,次镜为双曲面,后端通过平板分光的方式由各子系统接收。在可见光成像端,利用两片柱面镜成功解决了分光平板引起的像散问题,并通过添加反向倾斜的补偿平板,校正了分光平板引起的光轴偏移问题,可实现对距离为0.5~1.5 km、直径为0.5 m的飞行目标进行可见光成像和多波段光谱接收（200~400 nm、400~760 nm及760~2 500 nm）。成像模块各视场在奈奎斯特频率35 lp/mm处均实现了MTF>0.5,趋近于衍射受限曲线,各光谱接收模块也均满足光纤耦合要求。通过无热化设计,该共孔径系统可实现在?20~50 ℃温度范围内正常工作。公差分析结果表明,该系统能够满足实际加工和装调要求。     

红外搜索跟踪系统中的双波段共孔径光学设计

由于红外搜索跟踪系统（IRST）探测距离长,伪装性良好和错误率低等特点,因此成为了空中及海上最好的探测装备。针对红外与搜索跟踪系统对多谱段的需求,设计了红外搜索跟踪双波段共孔径光学系统。具有优于单波段获取信息弱的优势,将中波红外图像和长波红外图像融合到一起,综合利用了中波红外和长波红外各自优点,提高了有效侦察率、降低虚警率。系统总焦距为400 mm,F#=2,视场角为2°,采用分光型RC系统实现3~5μm和8~12μm双波段共孔径清晰成像,为了抑制中波的热辐射杂光,对中波系统实现了二次成像。设计结果表明,系统像质优良,满足红外搜索跟踪系统的使用要求。     

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。     

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.     

可见光/中波红外双波段共口径光学系统设计

设计了适用于制冷型640×512中波红外凝视焦平面阵列探测器和1920×1080的CCD的可见光/中波红外共口径光学系统.该系统在中波3.6~4.8 μm,可见光0.45~0.9 μm,环境温度-40℃~60℃工作,可见光系统焦距500 mm,视场角为0.38°×0.43°,F/#为4;中波红外系统焦距600 mm,视场角为0.38°×0.43°,F/#为4.8,满足100%冷光阑效率.本设计利用共用卡塞格林系统,利用分光镜实现可见光与中波红外光谱分光,之后接各自校正像差的镜组.该系统满足工程光学的要求,能够良好成像,双波段系统在-40℃~60℃环境温度下的也能够正常工作,并能够实现可见/中波红外远距离识别.     

便携式多波段共孔径光学设计

设计了一款非制冷便携式可见光/红外双光系统,基于共孔径的方式,实现可见光、红外双波段同时观察的目的;可见光光路选用1280×1024的CCD,像元尺寸为3.45μm,视场角为60°,工作波段为486～656nm,光学传递函数值在空间频率50 lp/mm处达到0.3以上;红外光路选用640×512非制冷探测器,像元尺寸为17μm,视场角为60°,工作波段为8000～12000nm,光学传递函数值在空间频率30 lp/mm处达到0.3以上;整个光学系统尺寸约为160mm×100mm×50mm,满足高性能、高集成、小型化、重量轻,无视差等要求。实验证明,该系统在可见光和红外波段均具有良好成像效果,具有较强的市场竞争力。     

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。     

同轴偏视场共孔径面阵成像光学系统设计

随着对空间信息获取能力的要求不断提高,使得高分辨率动态遥感成为空间光学领域一个新的研究热点。偏视场同轴三反光学系统具有长焦距、体积小、轻量化程度和成像质量高等特点,能够满足低轨视频卫星高分辨率、多谱段、多功能性和低成本的要求,因此在高分辨率动态遥感领域有着广泛的应用前景。以高斯光学和三反射消像差理论为基础,设计了可见光面阵成像、近红外和中红外线阵推扫成像的共孔径光学系统。可见光系统焦距4.1 m,近红外系统焦距2.6 m,中红外系统焦距1.85 m,三者孔径均为520 mm,视场均为0.60.6,成像质均接近衍射极限,成像质量良好。系统总长小于f'visible/3.7,且系统的加工和装配公差较为宽松,易于实现。     

共孔径红外双色离轴全反射系统

以初级像差理论为基础,重点分析了离轴三反系统初始结构参量的确定方法。利用CODEV软件编译计算并生成离轴三反光学系统初始结构的人机交互程序。将红外双色复合成像和离轴全反射系统结合起来,设计了一种共孔径红外双色离轴全反射系统。该系统具有长焦距、大孔径、宽波段、平像场等特点,结构简单,像质优良,在航空航天领域具有广泛的应用前景。     

机载成像与高功率激光发射共孔径光学系统设计

机载定向能装置具有光学成像与高功率激光发射的功能.为了保证机载定向能装置有效工作,要求共孔径光学系统在保证尺寸小型化的同时,能够在大温度范围下高光束质量输出激光.这对系统光机设计提出了很高的挑战.本文建立了适用于机载球形吊舱的共孔径光学系统初始结构设计模型以满足小型化成像和高光束质量输出的需求,提出了一种系统优化设计方...     

红外/激光共孔径双模导引头光学系统设计

为解决在扩展防空(EAD)和弹道导弹防御(BMD)下自主式制导,目标检测、分类及识别等问题,介绍了一种新型的设计原理,在使用同一接收孔径的条件下,将红外成像传感器和激光雷达成像传感器整合为一个小型的导引头,并设计了其中的光学系统。通过红外传感器探测场景,识别出再入飞行器,给激光雷达指示选择的目标,激光雷达用高功率的激光脉冲照亮所选的目标,目标反射的激光由接收光学系统成像到焦平面上。接着,以快照方式对图像采样,从而得到三维信息(角度-角度-距离)。整个系统采用卡式光学系统结构,通过二色分光镜作为分色面,实现了激光接收与红外成像的共口径,给光学设计带来方便,给出了系统结构参数确定的方法,并用CODE V光学设计软件设计了光学系统。所设计的光学系统具有较好的成像质量,可满足系统的性能要求。     

激光/红外双模环形孔径导引头光学系统设计

为了实现激光/红外双模导引头成像系统的小型化,简化光学系统结构,设计了四次反射的双模共光路环形孔径超薄成像系统,研究了该系统的分光路设计原理,给出了遮拦比与视场角的关系,实现了仅有单一光学元件的长波红外7.7～9.5μm和激光1.064μm双模导引头成像系统。双模环形孔径系统在长波红外波段的焦距为70 mm、等效F数为1.3、全视场为8°、空间频率为41.7 lp/mm时各视场MTF值均大于0.136。双模环形孔径系统在激光波长的焦距为53.8 mm、等效F数为1、全视场为10°、全视场范围内的光斑分布均匀。在环境温度范围为-40～80℃时,长波红外波段各视场MTF值均大于0.13,激光波长的弥散斑形状和能量分布基本不变,实现了光学被动无热化。通过公差分析可知双模环形孔径系统具备可加工性。     

双孔径红外变焦光学系统设计

为了解决红外变焦系统短焦部分冷反射严重的问题,提出了一种双孔径设计方法,设计了一种双孔径红外变焦光学系统。系统工作波段为中波3.7 ～4.8 m,焦距为30/150/300 mm,10变倍比,具有100%冷光阑效率。对双孔径系统的短焦部分和单孔径系统短焦部分的冷反射强度进行了对比分析,双孔径系统的冷反射得到有效控制。双孔径红外变焦光学系统具有像质好、变倍比大、短焦冷反射小、结构紧凑的特点,可使大变倍比的红外变焦光学系统在红外成像系统中得到广泛应用。     

大口径宽光谱折射平行光管系统设计

介绍了大口径、宽光谱、折射式平行光管物镜的设计理论。结合项目设计实例：工作波长范围400nm~1100nm,焦距2000mm,相对口径1/10的折射式平行光管系统,论述了光学设计初期玻璃材料选取、初始结构选取与光焦度分配等问题。利用修正的相对部分色散P与阿贝数V建立复消色差方程组求解初始结构,使用Zemax软件优化设计出在全谱段范围内复消色差的平行光管系统。最后,给出Zemax软件分析的像差结果,系统中心视场内的点列图优于5μm ,中心波长波像差优于1/60λ,焦距色偏移量为0.33mm,其余像差均在设计指标之内。     

实用双波段共孔径光学系统设计

针对用于目标定位、威胁告警以及搜索跟踪等方面的双波段共孔径光学系统进行了研究,设计了一款将长波红外与激光相结合的双波段系统;该系统采用折射光学系统形式,在光路中采用分光片进行分光。该系统红外波段传递函数值在25lp/mm时所有视场均大于0.2,在激光波段0.7视场以内弥散圆直径小于0.6 mm,且该系统结构紧凑,既能满足目标搜索在捕获阶段的探测视场比较大的要求,又满足目标识别跟踪阶段的高分辨率要求,具有一定的实用价值。     

高数值孔径自由曲面极紫外光刻物镜光学设计

高分辨率需求牵引极紫外光刻（EUVL）投影物镜向高数值孔径（NA）、自由曲面设计形式发展。传统的非球面EUVL物镜设计难以在高数值孔径下兼顾校正像差的需求,往往造成遮拦,破坏成像对比度。提出了一种高NA无遮拦自由曲面EUVL物镜设计方法。依据物镜形态参数判别引入自由曲面的最佳位置,能够有效校正系统像差,在不影响成像性能的情况下增大系统NA。应用该方法设计了一套高NA自由曲面EUVL投影物镜（PO）。与初始非球面物镜相比,通过增加四面自由曲面,将物镜数值孔径从0.3增大至0.35,波像差均方根（RMS）值从1 nm减小至0.4 nm,整个系统光路无遮拦。设计结果表明:该方法有效提高了自由曲面EUVL物镜设计效率,在不产生遮拦的情况下,不但增大了系统NA且减小了系统波像差,提高了物镜整体性能。     

大相对孔径紧凑型非制冷光学系统消热设计

对常用光学被动消热技术措施进行了归纳总结。针对长波非制冷光学系统大相对孔径、高透过率、小型化和良好环境适应性等特点,基于640×512大面阵非制冷探测器的应用,利用CODE V光学设计软件,设计了一个焦距f＝70 mm,视场角为10.44°×8.36°,F数为0.85,总长为85 mm的三片式光学系统。在－50～70℃温度范围内,所有视场的MTF 值在25 lp／mm处均大于0.61,光学畸变小于0.5％,光学系统成像质量良好。公差分析结果表明光学零件加工和光机装配工艺成熟稳定,光学系统设计具有良好的工程可研制性。     

机载双波段共口径光电瞄准光学系统设计

针对机载双波段共口径光电瞄准系统反射式成像存在中心遮拦与装配难度大的问题,设计了一种前置光路折射式成像的共口径光学系统。应用二组元变焦理论对光学系统的初始结构进行了计算。基于最小可分辨温差（MRTD）模型分析了红外系统的作用距离,根据瑞利判据对系统前向像移进行了补偿残差分析。机载双波段共口径光电瞄准光学系统工作在0.38~0.76 μm的波段内,实现了36~180 mm的5×连续变焦,工作在3~5 μm的波段内,实现了三视场变换,三视场三档焦距之比为3,F数为4。设计结果表明,在?40~60 ℃的工作环境中,光学系统经过光学被动式无热化处理,满足系统成像质量要求。