自由曲面在制冷型离轴三反光学系统的应用

研究了制冷型红外离轴三反光学系统成像原理和优化设计方法。给出了一个应用自由曲面的制冷型离轴三反射镜光学系统的设计。系统采用两个自由曲面反射镜和一个偶次非球面反射镜组成二次成像的结构形式,将制冷型红外探测器的冷光阑作为系统的孔径光阑,得到100%的冷光阑效率。第二和第三反射镜将孔径光阑成像在第一反射镜的位置,显著减小第一反射镜的口径。通过调整每个反射镜的偏心与倾斜,实现系统的无遮拦,使用自由曲面增大视场、校正像差、保证系统的成像质量。该系统的工作波段为3~5 m,焦距为450 mm,F数为2,视场为3.6622.931,各视场的调制传递函数在环境温度为-40~60℃的范围内均高于0.5,实现系统的无热化,并且结构紧凑。     

基于自由曲面的离轴三反光学系统研制

针对宽波段、大视场机载光学系统的设计需求,采用二次成像光路形式和XY多项式自由曲面,研制了一套基于640×512@24μm长波红外制冷型探测器的离轴三反光学系统。相比传统离轴三反光学系统,该系统解决了制冷型探测器冷光阑匹配问题和子午视场较小的设计难点,具有宽波段、大视场、透过率高、体积紧凑、无中心遮拦、无热化等技术优点。光学系统焦距160 mm,工作波段8～12μm,F数2,视场5.5°×4.4°,主镜和次镜均为二次曲面,三镜为XY多项式自由曲面。光学系统波前测试结果表明,系统波像差全视场平均值0.067λ(λ=9.11μm),具有较好的成像质量。     

制冷型中/长波红外双波段一体化全反射式光学系统设计

为避免透射式系统存在的色差问题,采用离轴反射式光学系统,在三镜后加分色片,分别成像到中波探测器及长波探测器的焦面上,实现对中波红外和长波红外两个谱段信息的同时成像。该一体化系统由3个离轴反射镜和一个分色片构成,为校正系统像差,三镜采用XY多项式曲面。采用二次成像结构形式,具有100%冷光阑效率。系统F数为2.67,视场角11.4°×1.8°,工作波段为中波3.55~3.93 μm,长波10.3~12.5 μm。中波红外系统MTF平均值大于0.5@25 lp/mm,长波红外系统MTF平均值大于0.4@12.5 lp/mm,采用光学被动式消热差法对光学系统进行温度补偿,温度适应范围为-40℃~+60℃。     

用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题,编制了初始结构计算程序,采用视场离轴方式,设计了一个波段范围0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1:4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。     

具有二次成像的紧凑型离轴三反光学系统设计

从杂散光抑制与体积压缩的需求出发,设计出具备二次成像、实出瞳的紧凑型离轴三反光学系统。给出了一种二次成像离轴三反光学系统的初始结构搭建思路,并运用自由曲面优化系统,依据该方法设计出了焦距130 mm、F数1.3、线视场5°×0.1°的离轴三反光学系统。系统成像质量接近衍射极限,具有二次成像和实出瞳的杂光抑制特性,理论上可以实现100%冷光阑效率,具有超小F数1.3的紧凑型特点,可用于航空航天探测等对杂光抑制要求较高的军事领域。     

自由曲面在离轴光学系统中的应用

针对自由曲面能提升成像光学系统的性能和校正像差的特点,分析了自由曲面在离轴光学系统中的应用优势。光学系统选用视场角为30°×11°、焦距为150 mm、F数为3的Cook-TMA。本设计中,离轴三反光学系统的主反射镜采用自由曲面设计。分析了使用Zernike多项式曲面在大视场离轴反射式光学系统中对离轴光学系统性能的提升效果,并与使用常规非球面的情况进行了比较,分析了自由曲面的优缺点。结果表明,自由曲面在提高离轴光学系统的成像质量方面具有更大的优势,系统的平均传递函数比常规非球面提升了15.9%以上,系统接近衍射极限。Zernike多项式曲面在离轴三反系统中的应用效果良好,系统的成像性能得到了较大的提升。     

一种含自由曲面的离轴三反光学系统设计

设计了一种含自由曲面的离轴三反射镜红外光学系统,光学系统采用三个离轴反射镜,其中第二反射镜采用自由曲面面型,其余反射镜采用非球面面型。光学系统接收口径Φ100mm,F/#25。由于反射元件不产生色差,因此光学系统不存在色差。同时反射元件与支撑结构件采用同一材料,光学系统实现无热化设计。利用自由曲面的非旋转对称性,系统轴外像差得到了很好的校正,从而使光学系统成像质量接近衍射极限。通过合理布局三个反射镜的位置,使光学系统外形尺寸达到了160mm×110mm×250mm。     

成像光谱仪离轴三反望远系统的光学设计

视场宽、结构紧凑、体积小、质量轻是空间光学成像系统设计研究的热点.在共轴三反镜系统的几何光学成像理论基础上.从离轴三反望远系统的方案选择、初始结构计算、三级像差的校正及光学系统的优化4个方面,研究了成像光谱仪用宽视场、大相对孔径离轴三反消像散望远系统的设计问题,设计出一个光谱范围1.0～2.5μm、焦距f'=300 mm、相对孔径厂f'/4、视场角6.8°×0.1°的离轴三反望远系统,系统非球面最高次数为4次,总长约为f'/2,对于空间频率30 lp/mm处,调制传递函数值均大于0.8.     

大视场大孔径制冷型红外光学系统设计北大核心CSCD

介绍了适用于4096×4096,F/#1的大靶面制冷型中波探测器的大视场大孔径红外成像系统的设计方案,采用二次成像的方式,减小大物镜的口径,提高孔径利用率;计算得到满足要求的初始结构,并分析了像差特性;通过优化初始结构、采用折/衍混合器件及非球面等方式校正大口径大视场带来的高阶像差。系统工作波段为37~48μm,焦距为60mm,视场角2ω=52°。全视场在50 lp/mm处的MTF高于045,满足设计要求。经过设计优化,实现了100冷光阑效率。     

基于量子遗传算法的自由曲面离轴反射光学系统设计

针对自由曲面离轴反射光学系统的初始结构较少、优化过程复杂的问题,提出了一种基于量子遗传算法的离轴反射光学系统设计方法,即采用量子遗传算法结合像差理论得到高像质的初始光学系统结构,再对其离轴化处理并引入自由曲面,进而设计得到自由曲面离轴反射光学系统。该方法可以方便、快捷地为自由曲面离轴反射光学系统提供像质良好、特定布局的初始结构。以离轴三反系统为例,采用该方法设计了一套工作在可见光波段、视场大小为10°×4°、F数为2的主三镜一体化的自由曲面离轴三反系统。仿真结果表明,该离轴三反系统视场较大、结构紧凑、成像质量良好,其最大RMS波像差为0.0485 λ (λ=0.6328 μm),全视场的调制传递函数（MTF）在50 lp/mm处大于0.9,且一体化集成结构有利于简化系统的对准及装调。     

基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计

针对离轴三反光学系统初始结构求解复杂、视场宽度小的问题,提出了利用光学传递矩阵求解三反系统初始结构的计算方法,推导了三反系统焦距和后截距的表达式,求解了光阑位于次镜的三反系统初始结构。采用引入高次非球面以增加系统设计自由度的技术路线,基于ZEMAX光学设计软件,通过对同轴初始结构进行离轴优化,得到了一个矩形视场172,焦距1 440 mm,F数4.8的离轴三反光学系统。该系统三个反射面均为高次非球面,可同时满足宽视场角和高分辨率的要求,在空间频率50 lp/mm处,调制传递函数大于0.6,接近衍射极限。结果表明:该系统搭载线阵/面阵时间延迟积分电荷耦合元件(TDI-CCD)用于推扫/多通道式空间对地成像时,可有效扩大空间对地成像系统的地面覆盖范围,提高信息获取效率。     

一种易检测易装调离轴三反光学系统的设计

离轴三反光学系统具有大口径、大视场、传输效率高以及没有色差等优点,易于实现多谱段共孔径。介绍了一种离轴三反系统的设计,其工作于红外中波3~5?m和红外长波8~10?m双波段,口径300 mm,F数为3。设计中充分考虑加工检测和装调的易实现性,特点为次镜采用球面,主镜和三镜共面,并且整个系统没有高次非球面;选取合理的反射镜和结构件材料,使系统具有良好的高低温环境适应性。     

外视场拼接的单镜头大视场中波红外成像系统的实现

基于外视场拼接原理,研制一套大视场中波红外原理样机。设计一制冷型中波红外光学系统。采用光学系统出瞳与冷屏重合的二次成像结构形式,保证系统具有100%冷光阑效率。工作波段为3.7~4.8μm,焦距为40 mm,相对孔径为1:2,全视场角为21.74°×17.46°(27.88°),系统总长145 mm。采用孔/反射镜分时成像的外视场拼接,实现2×1视场扩展。设计结果表明:在空间频率21 lp/mm处,轴外视场MTF>0.68,接近衍射极限。系统结构紧凑,成像质量较高。利用原理样机完成可行性和合理性验证。     

大视场大相对孔径长波红外扫描光学系统设计

采用288×4线阵探测器及二次成像方式设计了一种工作于7.5～10.5μm的大视场大相对孔径长波红外扫描型光学系统,系统凝视视场角为28°×21°,采用摆镜同楔形镜扫描扩展后系统视场角为78°×57°,该系统具有大相对孔径、F数为1.67、高成像质量等特点。由于长波红外可用材料有限,设计中采用锗材料和硒化锌材料校正色差,引入非球面校正系统球差,系统设计结果显示其成像质量接近衍射蓟县,色差矫正良好,在空间频率为20 lp/mm处,调制传递函数(MTF)均在0.3以上,能量集中度大于70%。     

中波红外光学补偿三视场光学系统

针对320×240元致冷型凝视焦平面阵列探测器,设计了一种中波红外光学补偿三视场光学系统。该系统由变 焦物镜系统和二次成像系统构成,包括8块透镜(引入3个高次非球面,其余均为球面),并采用两个反射镜折叠光路。利用光学补偿变焦 原理和光学设计软件给出了系统的光学外形结构图,并对其像质和工艺性进行了分析。该系统可以通过对一组透镜的轴向定点移动实现 20°×15°、3.5°×2.6°和1.3°×1°三个视场的切换,系统变倍比为 1∶15。各视场在16 lp/mm空间频率处的光学传递函数(MTF)值均大于0.5,弥散斑直径的均方根(RMS) 值均小于20 m。工作波段为3.7 ～ 4.8 m,满足100 %冷光阑效率。该系统结构紧凑,工艺性好,成像质量高。     

大视场离轴三反光学系统设计

与传统折射光学系统相比,离轴反射光学系统具有小体积、轻量化和无色差等特点,因此被广泛应用于望远镜系统和空间观测系统等领域。随着目前自由曲面的广泛应用,首先分析了离轴三反光学系统的初始结构参数确定方法,然后在系统的主反射镜设计中引入Zernike边缘矢高形式的自由曲面,最终设计了一款有效焦距为700 mm,视场角为10°,F/#为4.5,系统总长为597.58 mm的离轴三反光学系统。该系统在71.4 lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均大于0.28,畸变均小于0.1%,结果表明,该系统在有效视场内成像质量较好。该系统的设计方法对类似的离轴三反光学系统设计具有一定的参考价值。     

矢量波像差理论在无遮拦三反光学系统设计中的应用

传统的无遮拦三反射镜光学系统设计是先设计轴对称反射系统,然后通过偏光瞳、偏视场或者两者结合的方法来实现系统无遮拦设计,系统中不可避免地用到了离轴非球面反射镜。以矢量波像差理论的相关结论出发,将反射镜的倾斜作为系统的优化变量,利用轴对称非球面反射镜实现了无遮拦三反射系统的设计。分析了此种系统的设计思路及步骤,设计了焦距为1 000 mm、视场角为1020、F数为10的三反射镜光学系统,系统结构紧凑,成像质量接近衍射极限。该系统与其他无遮拦三反光学系统相比,最大的优点是系统中的非球面均为轴对称反射面,极大地降低了系统成本。     

自由曲面离轴四反全铝光机红外探测系统(特邀)EI北大核心CSCD

为满足红外探测系统对大视场、轻量化、低成本的需求,设计并研制了一款用于制冷型红外探测器的自由曲面离轴四反全铝光机系统。光学设计采用具有实出瞳的离轴无遮拦全反射式光路形式,并利用7次XY多项式表征各反射镜面型。在紧凑包络约束下,实现了6.25°×5°的视场角,全视场RMS几何弥散斑半径<6.0μm。各反射镜和支撑结构材料均选用6061-T651铝合金,各反射镜进行了柔性支撑设计,以降低装调时的刚性连接应力。采用激光干涉仪对光机系统波像差进行了测试,典型视场波像差相似文献   

宽光谱实入瞳远心中继光学系统设计

红外光谱成像系统、光场成像系统、光学显微系统、偏振干涉成像系统、复眼成像系统、环带式全景光学系统、多尺度成像系统及头戴式增强显示系统等光学系统中,通常需要中继光学系统来实现光路衔接、配曈、偏转等。研究了现有中继光学系统结构,介绍了光阑前置即具有实入曈的像方远心离轴三反光学系统的设计方法及自由曲面的描述方法,完成了满足设计参数的具有实入瞳的远心中继光学系统仿真设计,系统各镜采用XY多项式描述的自由曲面离轴三反光学系统结构。CODEV仿真设计结果表明,在工作谱段0.4~5.0 μm、焦距400 mm、F数3、视场角2ω=8°下,系统MTF(Modulation Transfer Function)接近于衍射极限,畸变小于1%,成像质量良好。     

一种改进的易于加工、装调的离轴三反光学系统设计

为了降低离轴三反光学系统加工和装调难度,提出了一种无遮拦的两反射镜三反射光学系统。将传统的离轴三反射光学系统中的主镜和三镜改进为一块非球面反射镜,即用一块镜面实现两镜的设计,这既能够降低光学加工的复杂度,同时也减少了装调的难度。根据三反射系统像差设计理论,推导出同轴两反射镜三反射系统的初始结构参数计算公式,得出了适用于该系统的求解方程组。设计了焦距1000 mm,F数为10,全视场2°×0.4°,无中心遮拦的离轴两镜三反射系统,两反射镜面型均为二次曲面。从调制传递函数、点列图、衍射能量分布图可以看出,系统成像质量好,能量比较集中。整体系统体积小、结构简单,重量轻。