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。  

中阶梯光栅光谱仪的光学设计

为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率,实现全谱直读,对中阶梯光栅光谱仪进行了研究。简述了中阶梯光栅及中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析并比较了这种光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别。利用光学成像原理与消像差理论设计了Czerney-Turner结构形式的中型高分辨率中阶梯光栅光谱仪原理样机的光学系统。该光学系统工作在原子谱线最为密集的200~500 nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350 nm波长的所有像差;光线对中阶梯光栅在准Littrow条件下入射,以获得高衍射效率;使用折反射棱镜作为交叉色散元件来分离重叠的级次,在CCD探测器上获得了二维光谱面。该光学系统有较好的平场特性及点对点成像能力,在整个工作波长分辨率可达到2 000~15 000,满足设计要求。该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作,通过替换不同的探测器及增加外围电路与软件平台,仪器的工作性能可进一步提高。  

大孔径大视场轻小型星敏感器光学系统

提出了一个大相对孔径、大视场轻小型CCD星敏感器光学系统设计方案,该星敏感器焦距为22.5 mm,F数为1.2,谱段范围470~750 nm,视场角25°。采用双高斯基本型后加一片近乎等晕的正透镜,获得了较大的相对孔径,同时选择高折射率玻璃材料增大视场并降低轴上及轴外光束入射角,高折射率玻璃材料亦能降低高级像差且使系统总长缩短。像质分析表明,此设计方案能够满足使用要求,光学系统总长仅为46.51 mm,满足实际工程轻量化需求。  

用于大气遥感探测的临边成像光谱仪

分析了大气临边成像光谱探测的原理，依据应用要求设计研制了光栅色散型紫外/可见临边成像光谱仪原理样机。该样机采用宽波段折射式消色差前置望远光学系统与改进的Czerny-Turner光谱成像系统匹配的结构形式，工作波段为540~800 nm(一级光谱)和270~400 nm(二级光谱)，通过切换紫外、可见带通滤光片来实现两个波段分别探测，质量为8 kg， 体积为450 mm×250 mm×200 mm。用该样机进行了实验室光谱实验，并对光谱分辨率进行了分析，测量了该样机的实际光谱分辨率。测量结果表明，该样机的实际光谱分辨率为1.3 nm，接近其理论光谱分辨率1.12 nm，满足设计指标1.4 nm的要求，并具有体积小、质量轻等特点，适合空间遥感应用。  

基于平面对称光学系统像差理论的折反射全景成像系统优化设计

全景成像技术在机器人、计算机视觉和虚拟现实领域有着重要的应用,与此同时也对其成像质量提出更高的要求。然而,对于此类大视场系统的设计较多地停留在光线追迹的方法,没有出现能对大视场像差进行参量化设计的方法。现将平面对称光学系统像差理论应用于此系统,得到关于光学参数的像质评价函数,采用差分进化算法解决多变量评价函数的优化问题,实现了一种折反射全景成像系统的优化设计,并用Zemax光线追迹软件证实了理论的正确性。结果表明,此类系统可以采用平面对称光学系统像差理论来优化设计,该思路是正确有效的。  

基于眼模型的数字眼底相机设计

本文基于Gullstrand-Le Grand眼光学模型设计了一个视场角为30°免散瞳手持式的数字眼底相机，在综合考虑人眼本身和外部系统的像差后，实现了全视场200万像素的高清晰眼底成像；引入眼模型辅助设计，解决了人眼自身的色差问题，从而适用于白光照明。同时，为避免角膜中心曲率大的区域反射引入杂散光，专门设计了环形光阑和共轴照明相结合的照明系统。结果显示，该相机系统成像分辨率高于120lp/mm，场曲值小于0.86mm，畸变仅为7.2%，并且具有较大调焦能力，对-10D至7D屈光度人眼普遍适用。  

白光日冕仪光学系统的杂散光抑制

为满足日冕仪对杂散光抑制的苛刻要求,通过分析日冕仪的工作原理和结构特点,设计了白光日冕仪光学系统,系统观测范围为2.5～15 R⊙,角分辨率为14″,口径为30 mm,焦距为200 mm,系统总长为1 080 mm;其中光学系统长370 mm,37 pl/mm的MTF值＞0.5.分析了直射太阳光、太阳光在外掩体D1边缘的衍射光、视场光阑A1边缘的衍射光、以及物镜组O1各表面多次反射带来的系统杂散光的特点,利用多个光阑互相共轭的空间位置关系,设计了相应的杂散光抑制结构,从而完全抑制了系统的4个主要杂散光光源产生的杂散光,使系统整体杂散光抑制水平达到10-8～10-10 B⊙,满足了日冕仪光学系统对杂散光抑制的要求.  

基于眼模型的非球面眼底荧光相机的设计

运用非球面光学理论,设计了一款基于Gullstrand-Le Grand眼模型的便携式非球面眼底荧光相机。该相机根据滤光片选择原则,选用Nikon公司的B-2A滤光组合作为滤光系统进行光谱滤光;为避免角膜中心较大曲率引起的杂散光,采用环形光阑和共轴式照明相结合的照明方式实现眼底均匀照明;摄影系统中引入眼模型结构,综合校正了人眼及系统的像差,实现了全视场20×10⁶ pixel的高清晰成像。该摄影系统包含有2个非球面结构,使系统由9片镜结构简化为7片镜结构。实验结果表明,该相机具有较大的调节能力,对-12~+12 m^-1的人眼普遍适用,其视场角为30°,像面成像分辨率为120 lp/mm,畸变值＜3.9%。非球面光学元件的使用,有效地简化了系统,减小了系统体积和重量,提高了成像质量。  

3.2~8 mm百万像素变焦安防镜头设计

设计一种可用于监控系统的大孔径百万像素变焦距光学成像镜头,采用1/3英寸CCD接收,像元大小为3.75μm。镜头在短焦、长焦位置时F数分别为1.6,2.1。利用Zemax工程光学设计软件,对镜头进行了设计与优化,并对优化后的结果进行了分析。设计的镜头在极限分辨率时,MTF较高,公差也相对较松,可以满足实际生产要求。  

大口径拼接式合成孔径光学系统设计

在三反消像散系统基础上，介绍了一种大视场长焦子孔径合成光学成像系统的设计方法。在对子出瞳波前利用菲涅尔衍射直接积分叠加的基础上进行像质评估，以实现对拼接镜面的全面仿真和分析；用非序列面误差分析和分配的结果修改初始结构；通过高次曲面平衡象差，并在结构优化时使用较小F数的系统，增加结构对子镜的失调的误差冗余度，迭代完成系统的最终设计。设计了一个同轴三反子孔径合成光学成像系统，焦距44m，f/8，7子镜拼接，视场角达0.6°×0.06°，通过不断迭代，获得了较好的结构和成像质量。