三维激光雷达发射/接收共光路光学系统设计

针对空间三维坐标的测量需求,设计了3D激光雷达光学系统。系统采用发射/接收共光路的结构形式,以高斯光学为理论基础,采用Zemax光学设计软件进行仿真。该结构形式不仅提高了系统同轴度、减小外部干扰,而且简化了系统结构、缩小仪器体积。系统采用扩束准直结构,实现8倍扩束比。通过微小的调焦,调整发射光学系统的第一片和第二片透镜之间距离在28.203~14.671 mm之间变化时,实现了2~18 m的测量范围内,测距精度0.02 mm+10m/m。     

折反射共光路多谱段激光雷达光学系统设计

激光雷达不仅可用于分析目标光谱特性,还能够获取空间目标方位、距离、三维形貌及运动特征。常规激光雷达测量的目标特征单一,难以同时具备以上所有的探测能力。针对激光雷达的多种功能需求,设计了一种同时具备以上多种测量能力的激光雷达,采用发射/接收共光路系统结构形式,极大地简化了光学系统结构,光学系统为特殊的折反射结构,在仅使用两种光学材料的情况下即可实现400~1400nm宽波段的发射与接收。为实现多谱段探测,激光光源采用光参量振荡器单脉冲可调谐激光器,光谱调节范围覆盖整个探测波段。激光发射系统的激光等效扩束比达到12.6,单色回波接收系统等效F数为8,采用光电倍增管,20μm内的径向能量接近100%。为满足对目标的跟踪与精细结构测量,在共光路的基础上,加入可见光接收系统,使多谱段激光雷达还具备可见光成像能力,可见光接收系统全视场为1.6°,所设计的调制传递函数在37lp·mm-1处优于0.5。系统各项设计指标满足探测需求。     

近红外荧光扫描用共聚焦光学系统设计

为了实现近红外荧光的高分辨率扫描,设计了用于近红外荧光扫描的激光共聚焦光学系统。采用复消色差显微物镜结构设计了物镜,采用凹凸双透镜结构设计了点光源光路和照明光路,采用柯克物镜结构设计了发射光路,并采用ZEMAX软件进行了光学设计和仿真。实验表明：物镜的数值孔径为0.42;点光源光路的焦点弥散斑小于0.2 μm,将圆形光斑激光很好地转换成了点光源,其离焦弥散斑的直径小于40 μm,满足照明针孔的尺寸要求;照明光路的焦点弥散斑小于1 μm,且焦点弥散斑的能量在2 μm范围内超过了83%,因此焦点光斑的能量集中度很高;发射光路的离焦弥散斑的直径小于100 μm,满足照明针孔的尺寸要求;同时照明光路和发射光路都具有较高的光学传输效率。该激光共聚焦光学系统具有数值孔径较大、工作于近红外光谱区、分辨率高的优点。     

用于微型拉曼光谱仪的外光路光学系统

针对所研制的微型拉曼光谱仪的特定要求,数值孔径为0.04和工作波长在781～1014nm,设计了两款与单色仪配套的外光路光学系统:球面系统,非球面系统。收集光路采用单透镜,会聚光路采用"厚双胶合透镜"形式的摄远光学结构,会聚系统的摄远比达到0.59,极大地缩短了系统的尺度。设计结果表明,采用传统球面设计时,光学系统的物方数值孔径达到0.33,点斑半径小于30μm,像面相对照度在80%以上;加入了非球面之后,物方数值孔径达到0.4,点斑半径小于20μm,像面相对照度在80%以上。光学系统总长150mm,满足小型化和便携式的要求。     

连续变焦光机系统凸轮轮廓设计

介绍了光学连续变焦物镜的工作原理以及光路计算过程。对绘图法设计凸轮轮廓产生误差的原因进行了简单分析。利用Pro/E设计软件,对凸轮零件轮廓进行了三维详细设计,准确还原了连续变焦光学系统中变倍组和补偿组透镜的运动规律,提高了凸轮轮廓的设计精度。     

机载新颖连续变焦中波红外光学系统设计

针对制冷式640×512元凝视焦平面阵列探测器,设计了结构紧凑的高性能机械补偿30倍连续变焦光学系统.该系统采用新颖的三组元变倍形式和三次成像方法设计.工作波段为3.7 ~ 4.8 μm,F/# =4,变焦范围750 ~25 mm.首先利用光学设计软件给出了系统的光学外形结构图; 然后,进行了像质评价分析,变焦曲线分析,温度环境适应性分析和冷反射分析; 最后,介绍了该系统应用微扫描成像技术提高分辨率的方法.结果表明,该光学系统在空间频率30 lp/mm处的光学传递函数 ( MTF) 值均接近衍射极限, 弥散斑直径的均方根 ( RMS) 值均小于15 μm.变焦曲线平滑,且移动组最大行程小于71 mm.移动组透镜的轴向移动可完成系统调焦及温度补偿.光学系统满足100 %冷光阑效率,在-40 ~60 ℃温度范围内均有良好的像质.同时,满足新一代机载前视红外( FLIR)系统的要求.     

基于APD阵列的闪光雷达光学系统设计

基于雪崩光电二极管(APD)阵列的闪光雷达是一种非扫描3D成像激光雷达,为实现APD阵列非扫描成像,设计了一套正交光栅衍射分光光学系统。利用伽利略望远镜对532nm脉冲激光进行准直扩束;针对APD阵列的特点,使用二维正交光栅和聚焦透镜对扩束光进行衍射分光,光斑经发射-接收分光镜和发射透镜后照明APD像元的瞬时视场;利用发射-接收分光镜使发射光路与接收光路分开。使用ZEMAX软件对准直扩束和衍射分光部分进行了仿真,并对发射和接收透镜进行了理论分析和计算。设计的光学系统符合32×32像元APD阵列成像的要求。     

非制冷焦平面热像仪用双视场红外光学系统

介绍了一种用于非制冷凝视焦平面探测器的长波红外双视场光学系统设计实例,该系统工作波段为8 m～12m,变倍比为3倍,采用轴向移动变焦方式.变倍透镜组可实现变倍、调焦及温度补偿功能,简化了系统机电设计,具备体积小、重量轻、功耗低等优点,并用ZEMAX光学设计软件进行了像质评价.     

一种新型非制冷焦平面双视场红外光学系统

提出了一种新型用于非制冷焦平面探测器的长波红外双视场光学系统,该系统工作波段为8~12 μm,焦距为40~150 mm。采用轴向移动变焦方式,变倍透镜组可实现变倍,调焦及温度补偿功能,简化了系统机电设计,具备结构紧凑、质量轻、便携等优点,并用CodeV光学设计软件进行了像质补偿。     

几种军用激光装置光学检调工艺

本文在多年从事激光军用实验装置、样机、工程的研制与试制基础上,从光学检调工艺的角度,将其光学系统结构分类如下:1.发射、接收和瞄准三光轴平行的测距仪型。2.发射光轴与两机械转轴重合的激光雷达型。3.接收和瞄准或接收和发射共光轴的分光平板型。4.用于制导和定向的变焦距光学系统。     

长焦距大变倍比中波红外变焦距系统设计

为实现红外连续变焦距系统变倍比大、焦距长和系统结构简单的需求,在光学系统中引入衍射元件(DOE),设计了一套3.7～4.8μm波段折/衍混合连续变焦光学系统。该系统突破了传统折射式中波红外变焦系统难以同时满足变倍比大、焦距长、系统结构简单等要求的局限,其变倍比为20×,可在35～700mm焦距范围内连续变焦,仅包含6片透镜和2片平面反射镜。在空间频率17lp/mm处,系统在全焦距范围内调制传递函数MTF>0.5;变焦过程中系统弥散斑直径均方根值小于20μm,表明该系统成像质量良好。     

激光定距引信远场光斑的压缩整形

针对激光定距引信的小型化激光发射系统远场光斑过大、探测距离偏近的问题展开研究。利用几何光学原理对激光定距引信的发射光学系统进行设计,采用非球面透镜与变形棱镜组合实现引信远场光斑的压缩整形,并通过ZEMAX 光学软件仿真优化和光斑试验。仿真试验结果表明,发射光束经过光学系统后,500m处的激光光斑直径被压缩到10 mm 且呈圆对称形状,准直效果显著优于柱透镜光学系统,使原有小型化、低功耗的激光定距引信探测距离明显增大。     

低空高分辨率激光雷达光学系统设计

针对“低慢小”目标光学成像识别能力差、复杂背景下信噪比低等问题，设计了一款低空高空间分辨率激光雷达光学系统。发射光学系统扫描器件采用MEMS反射镜，设计了专用扩束光学系统保证不同扫描角度发射激光的光束质量；接收光学系统采用物镜、数字微反射镜器件结合偏振器件，可同时实现激光回波接收与可见光成像，相较于采用单点探测器接收的激光接收系统，具有背景噪声低的优势。给出了光学系统的性能参数，利用光学设计软件设计了光学系统，该系统空间分辨率为0.5 mrad/pixel，扫描点阵列规模为200×200。模拟结果表明设计方法可行，计算其在大气中的探测距离可达到1000 m，背景噪声相较于单点探测器接收系统可降低约22162倍。     

远程激光拉曼光谱探测系统前置光学系统设计

为实现远程物质高空间分辨力的拉曼光谱探测,设计了共孔径远程激光拉曼光谱探测系统的前置光学系统。光学系统采用共孔径结构,实现了激光发射系统、拉曼光收集系统及微区成像系统的共孔径、共光轴。设计的光学系统能够对激光进行聚焦以缩小激光光斑尺寸,使系统具有优于0.125 mrad的空间分辨率。该拉曼光收集透镜有效通光口径为50 mm,拉曼散射光在耦合透镜焦平面上的像高小于25m,可以与50m狭缝宽度的光谱仪进行空间光耦合,也可使用50m芯径的光纤来耦合光学系统与光谱仪。该系统可用于远距离物质的激光聚焦、拉曼光谱探测及微区成像。     

一种应用于激光微烧蚀的光学聚焦系统简化设计方法

针对激光微推力器对光学聚焦系统结构紧凑、聚焦光斑尺寸小以及避免羽流污染的特殊要求,采用传统的光线追迹法研究单透镜直接聚焦、双透镜准直聚焦两种典型方案光学设计方法。针对低功耗半导体激光器光纤耦合输出的芯径和数值孔径条件,在50m级聚焦光斑约束下,研究单透镜聚焦系统设计方案,得到了透镜厚度、焦距、工作距等设计参数的关系;研究准直聚焦光学系统的双透镜系统设计方案,得到了透镜厚度、透镜中心距、工作距等设计参数特征关系。针对两种典型光学设计方案,给出了工程应用设计参数。文中提出的设计方法避免了复杂的光学设计过程,可为激光微推力器激光光束微尺度聚焦提供一种简单实效的方法。     

满足双视场需求的红外模拟光学系统的设计

简述了红外场景产生的技术背景以及基于液晶光阀实现可见光到红外视频图像转换的模拟器的总体结构。重点介绍了一种适用于两种不同视场的红外光电系统测试与评估的动态红外场景模拟器光学系统的设计，其中包括变倍透镜的选择和准直投射光学系统的设计。从理论上分析了利用变倍透镜的变化写入不同放大倍率的可见光图像，来满足视场变化需要的方法；从光学指标的确定，结构、材料的选取到最终光学性能，阐述了准直投射光学系统的设计。此投射光学系统工作在8～ 12 μm , 焦距271.69 mm，视场为±4°，入瞳距150 mm，后工作距离139.2 mm，点列图和传递函数曲线表明此投射光学系统像质达到理想状态。最后分析了光学系统性能参数与指标要求的符合。在满足设计指标的前提下，和变焦系统相比，该光学系统结构简单、成本低、可行性高。     

长工作距变焦显微系统物镜设计

激光内雕机在进行激光内雕时,经常会存在激光炸点不均匀的情况,需要对其进行放大分析,从而更好地控制激光束的能量。根据企业激光内雕炸点观察需求,设计了一款长工作距变焦显微物镜。玻璃内部的炸点观察范围为9~32 mm,系统采用光学变焦方式,变焦范围为6~24 mm,放大倍率为4~16,变倍比为4倍。探测器采用了一款型号为VA-1MG2的1/2 in（1 in=2.54 cm）CCD,其像元大小为5.5 m。利用Zemax进行光学系统设计优化,在截止频率91 lp/mm处,各组态下各视场的MTF值均大于0.4,在中心视场和0.7视场处均接近衍射极限。点列图的RMS半径也均小于艾里斑半径,满足长工作距变焦显微系统的各项指标需求。     

基于液晶透镜的电控式光学影像缩放系统

为了在便携式设备上实现光学影像缩放,不包含机械式移动的光学系统开发是必要的,因此,我们对可电控改变焦距的液晶透镜所组成的光学系统进行研究,研究内容包含液晶透镜焦距对于放大率、变焦比以及对焦范围的关系。由于单片液晶透镜仅能达到对焦功能,因此我们首先利用两片液晶透镜组成的系统来计算不同物体距离的影像缩放条件。接着,我们利用三片液晶透镜,做到与机械式系统相同,可单独控制清楚物体平面距离以及控制影像大小的系统。实验结果表明:利用三片透镜屈光率从-11.3m-1连续电控调整至24.9m-1的液晶透镜,可实现清楚物体平面距离由10cm连续调整至100cm且缩放比为6.5∶1的光学缩放系统。我们利用不同调焦范围的液晶透镜,根据设计原理,来达成不同对焦范围与不同缩放比的电控光学缩放系统。     

自由曲面变焦的内调焦式光学系统设计

具有调焦功能的光学系统在空间探测领域中有着重要的应用需求。设计了一种基于自由曲面垂轴偏移的内调焦光学系统,该系统中采用特殊自由曲面面型结构,构建自由曲面透镜组,利用垂轴偏移的变焦特性,改善光学系统的成像位置,提升在空间环境多样性和宽物距成像的适应性能力。具体分析了自由曲面透镜组的调焦原理,并成功将自由曲面透镜组应用到焦距为100 mm的光学系统中,分析像距扰动和物距变化两种情况下的成像质量和偏移量。结果表明,光学系统的调制传递函数在奈奎斯特频率处大于0.3,满足成像要求,该系统具有成像性能稳定和微米量级补偿量等特点。