同轴大压缩比大相对孔径相机的光学系统设计

以近轴三反射镜消像差理论作为设计依据,采用小视场角偏置设置,使用一维倾斜平面镜将光路在主镜前折叠,优化设计了具有高压缩比的同轴大相对孔径成像光学系统。其中,相机焦距为2.5 m,像方F数为6.3,成像视场角为0.6°×0.3°,在91 lp/mm的空间频率下,400～900 nm可见光-近红外波段光学调制传递函数优于0.41,1 064 nm激光波段20 lp/mm时光学调制传递函数优于0.6,成像质量均接近衍射极限,全视场下成像一致性较好。光学系统长度具备小于1/5.6倍系统焦距、1.1倍主镜直径的高压缩比,三反射镜均为二次曲面且非离轴空间布局,不含有高次非球面系数,公差分析结果表明光学系统易于工程化实现,在多星组网的紧凑型商用成像测高光学相机领域具有广泛的应用前景。     

离轴反射式人眼视网膜成像自适应光学系统设计

为了实现活体人眼视网膜的高分辨率成像,设计了一套视网膜成像液晶自适应光学系统来校正人眼的动态变化像差。基于开环双波段模式,分别采用夏克-哈特曼波前传感器(SHWS)和基于硅基板上的液晶空间光调制器(LCOS-SLM)来探测和校正人眼以及系统的波前像差;且分别采用近红外波段(790nm)的超发光二极管和可见光波段(570nm)的激光器作为波前探测和校正成像光源。系统采用离轴反射式结构来提高光能利用率,减小色差。用ZEMAX对系统性能进行了分析,证明设计的系统能够达到衍射极限,MTF@30lp/mm为0.4(对应视网膜上4μm),MTF@50lp/mm为0.16(对应视网膜上2.5μm)。和闭环折射式系统相比,能量利用率提高1倍以上,且杂光和色差干扰小,成像对比度好。     

激光为光源的液晶自适应眼底成像系统

摘要：本文介绍了基于液晶波前校正器的模拟人眼眼底自适应成像系统,该系统采用Shark-Hartman波前探测器进行波面探测,将探测所得波前畸变经过计算处理转化为灰度图通过电脑施加到LCOS上进行波面校正,通过校正人眼像差的方式来提高系统成像质量。经过校正后系统波前误差从1.92m降低到0.048m系统分辨率接近70lp/mm已经到达该光学系统衍射极限分辨。     

小型可见光双视场光学系统的研制

基于光学设计基本理论,设计了一种体积小,跟踪范围可以达到整个前半球的可见光双视场光学系统.系统由前部集束系统,中间光路转折系统及后部成像系统3部分组成.集束系统采用望远镜式结构,用于改变光束的口径;光路转折系统采用库德光路,由4片反射镜组成,用于转折光路及扫描;成像系统由长焦成像系统和短焦成像系统组成,分别形成两个视场的像,用于目标识别与跟踪.光学系统焦距分别为60 mm和120 mm,设计传递函数在58 lp/mm处均大于0.5.加工装调后进行了成像试验验证,结果表明,该系统能够同时完成大视场及小视场的图像获取,在可视范围内成像质量满足系统总体要求.     

相位差异法检测不理想环境下的非共光路像差

设计了1.23m地基望远镜自适应系统的非共光路标定系统。针对自适应光学系统非共光路像差检测中遇到的问题,构造了离焦量不可测情况下的相位差异法的评价函数。利用多通道约束波前的解集和像差检测与变形镜调整互相迭代最终收敛的办法,弥补了测量条件不理想对像差检测的影响。与双通道相位差异法相比,多通道相位差异法对目标光源形状的容忍力更强,理论上对波前求解精度更高。将该方法应用于1.23m地基望远镜自适应系统的非共光路静态像差测量中,取得了良好的效果,使光路装调更加方便。通过改变变形镜的初始偏置对测得的像差进行校正,提高了望远镜光学系统的成像质量。     

利用激光全息技术校正大口径光学成像系统像差

基于光学全息原理,分析了激光全息技术校正光学成像系统像差的机理和方法,建立了全息记录实验系统,用于校正口径500 mm、低质量球面反射镜光学系统对有限远物体成像时的像差。采用原光路再现的方法,通过比较像差校正前后的干涉图样和成像结果,验证了该校正方法的可行性。实验结果表明,校正后该系统剩余波像差约为λ/8。     

折反式眼底相机光学系统设计

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48mm工作距离的折反式眼底相机光学系统。设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正。建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路。照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光。成像光学系统可在-10～+10m-1调焦,物方各视场分辨率为33lp/mm,系统畸变小于8.5%;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15%以内。实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求。     

Design of optical system for catadioptric fundus camera

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48 mm工作距离的折反式眼底相机光学系统.设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正.建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路.照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光.成像光学系统可在-10～+10 m-1调焦,物方各视场分辨率为33 lp/mm,系统畸变小于8.5％;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15％以内.实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求.     

空间成像与激光通信共口径光学系统设计

针对空间成像系统与激光通信天线同时需要大口径光学系统而使卫星载荷质量增大的问题,提出了一种成像光学系统与收发合一激光通信天线共口径工作的新型光学系统。从像差理论出发,给出了以主次反射镜为共用部分、成像和通信工作在不同视场的共口径光学系统初始结构设计方法。实际设计了共口径光学系统,该系统口径为600mm,次镜遮拦比为0.225,成像系统的传递函数在50lp/mm时大于0.47,接近衍射极限;发射分系统波像差远小于λ/20,发射激光的最小束散角可达4μrad,出射光斑质量良好;接收系统达到衍射极限,光斑远小于探测端面,满足探测要求。最后,进行了公差分析,给出了光学系统的装调方法。该设计通过共用主次镜减少了系统总质量和总体积,同时满足空间成像和激光通信系统的性能要求。     

349单元自适应光学波前处理器

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求,本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统,该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器,报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果,实验中对模拟大气相干长度r_0为6cm,格林伍德频率为160Hz的大气湍流实现有效校正,自适应光学系统闭环后,波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600nm,后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500Hz的波前校正频率下有较高的成像质量,波前处理延时优于235μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。     

液晶自适应光学系统中倾斜镜的建模与控制

为了提高液晶自适应光学系统的波前探测精度,研究了该系统中倾斜镜的校正方法。分析了液晶自适应光学系统中各环节的物理特性,利用拉格朗日方程给出了倾斜镜系统模型的基本结构;采用子空间辨识方法确定了模型参数,同时利用非线性最小二乘算法对子空间模型的频域特性进行了修正。修正后模型幅频特性均方根误差为0.024 5dB,相频特性均方根误差为1.9008°。引入Smith控制策略来解决倾斜镜校正波前整体倾斜过程中的时滞问题;利用子空间辨识出的模型分别进行Smith和PID的仿真和实验验证,得到的结果与仿真计算相吻合,即在相同稳定裕度的情况下,采用Smith补偿PID算法的误差抑制带宽比传统PID算法提高了23.97%。最后,用提出的方法对一组湍流整体倾斜信号进行了校正。结果显示:采用Smith补偿PID算法的控制精度比传统PID算法提高了21.03%,证实提出的方法优化了倾斜镜的校正精度,保证了开环液晶自适应光学系统的波前探测精度。     

利用CMOS图像传感器测试成像镜头MTF的实用方法

介绍了一种用CMOS图像传感器测量镜头MTF的实用方法及其实用实例。该方法通过引入参考空间频率,利用在CMOS图像传感器像面上,对被测空间频率与参考空间频率的像素灰度值的读取,能够便捷并且比较准确地测定镜头的MTF值。由于参考空间频率的引入,大体消除了CMOS图像传感器本身MTF对测量结果的影响,从而使测量结果更接近理论运算结果。     

大象差系统的优化设计

大象差光学系统以传递函数MTF作为评价函数进行自动设计为宜。因为MTF与系统质量直接对应,迭代中可处理为单一的评价函数,能全面而客观地反映光学系统的成像质量,本文阐述了一个以几何传递函数GMTF为评价函数的光学自动设计程序中几个有关问题的处理方法,并给出了具体实例说明程序的应用过程和效果。     

光电成像系统的性能优化

探讨了光学系统和阵列探测器构成的光电成像系统的整体性能和优化设计问题。针对阵列探测器的不断快速更新换代,研究了如何对光学系统进行改进以优化光电成像系统的性能。从采样成像系统的取样定理出发,研究了光电成像系统的传递函数特性,讨论了采样成像系统的相位平均传递函数,分析了光电成像系统的加工与使用误差对传递函数的影响。同时,给出了光电成像系统的信噪比计算公式。文中提出用于遥感观测的大型光电成像系统的光学系统传递函数的归一化空间频率等于0.5左右可与阵列探测器的奈奎斯特频率相匹配。结果显示,如此设计可在满足信噪比的同时使传递函数在奈奎斯特频率处达到0.1左右,分辨率达到奈奎斯特频率并且不产生频谱混叠效应。     

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。     

三线阵立体测绘相机光学系统设计

三线阵立体相机的光学系统决定了相机的外形尺寸和布局,保证相机的小型化、轻量化及稳定性是十分必要的,针对光学系统设计的指标要求,分析、比较了各种光学系统结构型式,设计了满足测绘要求的像方远心光学系统。设计的光学系统成像质量好,在Nyquist频率77lp/mm时,正视相机全视场的平均传递函数为0.613;前、后视相机全视场的平均传递函数为0.578。装调完成后对光学系统成像质量进行了检测,各相机光学系统传递函数的测试值均在0.451以上,满足对测绘质量的要求。     

红外成像系统的调制传递函数测试

研究了刃边法测试光学系统调制传递函数(MTF)的原理,提出将改进倾斜刃边法用于红外成像系统MTF的测量。考虑刃边倾斜角度的测量误差和噪声干扰会引起红外系统MTF的测量误差,采用Canny算子、直线拟合和边缘扩散函数(ESF)重构行数变动等方法来提高MTF的测试精度;同时针对ESF与线扩散函数(LSF)提出有效的降噪算法来降低噪声对MTF测试精度的影响,从而系统地降低了MTF的测量误差。搭建了实验平台,以红外成像系统的理论模型和实测参数得到的MTF曲线为依据,实验验证了本文方法的有效性,测试分析了刃边倾角的变化对MTF测试精度的影响。实验结果表明:通过本文方法测试得到的MTF曲线的测试精度为0.010,测试重复精度为0.008,刃边倾角保持在2°~10°。实验结果显示:本文方法有效地降低了刃边倾角的测量误差和噪声干扰对MTF测试产生的影响,测试结果具有良好的重复性。     

空间合成孔径成像光学系统的光瞳对称性

从对称性的角度分析比较了几种常见光学系统结构对非相干成像的影响.首先,采用了二维点扩散函数和二维空间调制传递函数分析评价复杂光瞳光学系统,通过理论分析得出复杂光瞳分布的对称性影响着点扩散函数和调制传递函数的对称性的结论.最后,利用二维评价手段,针对几种常见的合成孔径光学系统结构,Golay3、Golay4、JWST和G...