大视场三线阵航空测绘相机光学系统设计

针对大视场、高分辨率、低畸变和环境适应性要求高的三线阵航空测绘相机光学系统设计要求,开展新型光学系统结构形式设计:首先,根据总体方案要求以及稳定平台安装特点,确定了单镜头的技术方案;接着,分析计算了光学系统各项指标参数,光学系统拉氏不变量达到9.5;然后,对比分析了非像方远心光路、像方远心光路和准像方远心光路的结构形式;最后,设计了一种航空环境适应性良好的双高斯复杂化失对称准像方远心光学系统结构形式。设计的光学系统成像质量好,在全色谱段内的Nyquist频率为100lp/mm,全视场调制传递函数均优于0.36;分别在R、G、B谱段的Nyquist频率为50lp/mm,全视场调制传递函数均优于0.6。光学系统全视场最大相对畸变优于0.1%,在均匀温度0~40℃范围内,全色谱段调制传递函数优于0.3。实验室鉴别率板测试结果表明,相机静态分辨率达到102lp/mm;飞行验证试验结果表明,相机摄影分辨率达到0.16m@2km航高。光学系统设计完全满足大视场三线阵航空测绘相机环境适应性和分辨率的要求。     

双向大视场消畸变低温红外目标模拟光学系统设计

为了选择合适的低温红外目标模拟光学系统,针对国内现有离轴三反射光学系统多存有弧矢视场较大,子午视场很小的问题,本文基于光学系统对称性法则,设计了子午和弧矢都为5°,波长为3～5μm的矩形双向大视场离轴三反系统,其焦距为400mm,F#为8。利用光学系统结构参数和反射镜的非球面系数,调整三镜的偏心及倾斜来消除畸变及其它像差,系统光学传递函数在6.5lp/mm时优于0.71,全视场均方根波像差达到λ/250,均方根最大弥散斑半径不超过7.0μm,达到衍射极限。另外,系统在各个谱段全视场范围内的最大畸变量小于0.04%。设计的系统可用于红外及可见波段,成像质量均良好。     

适用显微镜质量测试的高分辨率测量镜头设计

利用Zemax光学设计软件设计了一款适用于光学成像尺寸为38mm的互补金属氧化物半导体(CMOS)型工业相机的高分辨率测量镜头,该工业相机用于自动化定量分析检测显微镜像差。通过数码图像处理的方式去评判显微镜物镜性能的好坏。在满足性能要求基础上,对普通的测量镜头结构加以优化,使得测量镜头拥有非常高的分辨率。该镜头焦距为36mm,后工作距约为32mm,视场像面高度为36mm,在90lp/mm处,中心视场调制传递函数(MTF)值大于0.45,边缘视场MTF值大于0.25。     

基于光学自由曲面的离轴三反光学系统

为了研制长焦距大视场离轴三反空间光学系统,描述了自由曲面光学数理模型,设计了基于自由曲面的离轴三反光学系统.针对焦距为4500 mm,成像视场角为11°,系统总长与焦距的比值为1/3的光学系统,对比分析了传统离轴三反光学系统和次镜为自由曲面的离轴三反光学系统的关键性能.在提出的光学系统中次镜采用自由曲面设计,提升了光学...     

全海深大视场超高清光学系统设计

为满足我国深海成像设备需求,针对水下光学像差特点完成了全海深大视场光学成像系统设计。根据深海系统使用环境,对光学参数与结构形式进行了分析与探讨;采用常用玻璃及球面透镜设计,完成了小型化低成本高性能的光学设计实例;通过控制光线角度来提高光学系统能量利用率。选用YAG透明陶瓷为抗压窗口材料,通过有限元力学分析仿真获得形变与抗压阈值。通过ANSYS软件分析窗口与支撑结构,设计满足全海深11 000m使用环境(120 MPa)要求。光学系统的工作波段为410～630nm,视场角达80°,相对孔径为1/2.8,全视场MTF0.3(@91lp/mm)。该系统成像质量及光学窗口抗压性均满足深海成像科考需求。     

中长焦透射式日盲紫外光学系统设计

日盲紫外系统在导弹告警系统中起着重要的作用,利用光学软件Zemax设计了一款中长焦透射式日盲紫外光学系统。该紫外镜头由6片标准球面透镜构成,适用于240~280nm的日盲紫外波段。根据材料的透过率和色散性,选取正透镜材料为CaF_2,负透镜材料为熔石英。系统的焦距为160mm,F数为3.5,靶面直径为18mm,光学总长为154mm;各视场能量集中度在紫外CCD接收面内均大于85%,光学传递函数20lp/mm处高于0.8,具有成像质量好、结构简单紧凑的特点。     

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。     

用于电晕检测的日盲紫外光学系统设计

日盲紫外光学探测器可以精准的接收到电晕放电产生的紫外辐射。利用Zemax软件设计了一款定焦日盲紫外光学系统,该系统由五片球面透镜构成,工作波段240 ~280 nm,匹配靶面直径18 mm的紫外像增强器,F数为2.5,焦距为50 mm,视场角为20.4°,光学总长为72 mm。调制传递函数在空间频率20 lp/mm处全视场均大于0.8,最大畸变小于0.5％。分析了系统在-20 ~60 ℃的离焦现象,计算了各温度下的热离焦量,采用被动式机械补偿的方法校正了由温度变化产生的热差。最后,通过蒙特卡洛分析模拟,对系统给出了合理的公差分配,分析结果表示系统加工装配后仍具有较好的成像质量。     

1 000万像素全景监控镜头的光学设计

为满足全景监控镜头的高清、大视场的要求,采用反远距系统设计了工作波段为可见的4.86~6.56μm、F数为2、垂直全视场角为185°、焦距为1.3mm的1 000万像素高清全景监控镜头光学系统。通过匹配光学材料和分配透镜光焦度,在-20~+60℃温度范围内对全景监控镜头光学系统进行了设计及像质评价。结果表明,系统在奈奎斯特频率300lp·mm-1处中心视场的光学调制传函接近衍射极限,大于0.4,0.7视场以内的光学调制传函大于0.3。系统整体无温度离焦,成像质量良好、结构紧凑,且适用于感光面尺寸为6.119mm×4.589mm、像元数为3 664×2 748的CMOS探测器。     

双层衍射元件在投影式头盔光学系统设计中的应用

利用双层衍射元件设计了一款折衍混合投影式头盔光学系统。系统的衍射效率在可见光波段＞90%,提高了像面图像的对比度,增加了色彩真实性。在出瞳距离为25 mm,出瞳直径为10 mm条件下,系统的视场角为50°,有效焦距为32 mm,直径为19.2 mm,重量为7.8 g,继承了投影式头盔光学系统的轻小性特征;调制传递函数(MTF)在38 lp/mm时,边缘视场达到0.3以上,中心视场达到0.6,充分满足2.8 cm(1.1 in)彩色LCD微显示器的SXGA显示模式;系统垂轴色差为8.2 μm,场曲为0.4 m^-1,畸变为5%,成像质量满足虚拟环境和可视化训练要求。文中给出了双层衍射元件的二元面特征曲线,每周期刻蚀八个台阶时,最小特征尺寸为6.3 μm,且易于加工实现。     

双波段/双视场全景航空相机光学系统设计

为提高航空相机识别目标能力,设计了一种应用于全景式航空侦查相机的可见光/红外双视场成像光学系统,可见光光学系统焦距为200 mm/400 mm,相对孔径为1∶8.8,视场角为9.4°×7°/4.7°×3.5°。红外光学系统焦距为117 mm/234 mm,相对孔径为1∶4,视场角为9.4°×7.5°/4.7°×3.76°。该光学系统利用物像交换原则采用轴向移动变倍方式,设计结果表明,光学系统成像质量接近衍射极限,可以满足实际使用需求。     

谐衍射中、长波红外超光谱成像系统设计

为了充分利用中波红外和长波红外的光谱信息,建立了谐衍射中、长波红外超光谱成像系统。利用谐衍射元件独特的色散特性,将谐衍射透镜应用于中、长波红外超光谱成像系统中,使系统在中波红外3.7~4.8μm和长波红外8.5~12μm的2个谐振波段内获取二百多个不同波长的图像信息。设计结果显示,在中波红外波段18lp/mm处,光学调制传递函数0.52;长波红外波段13lp/mm处,光学调制传递函数0.51;光学系统的点斑均方根直径在中波红外波段小于27μm,在长波红外波段小于34μm。得到的结果表明,光学调制传递函数在各个波长处均接近衍射极限,点斑的均方根直径完全可以与国内现有探测器的像元尺寸匹配。     

改进的离轴三反光学系统的设计

基于离轴三反光学系统(TMA)的一般设计方法,总结了设计要点.以两个基于三反光学系统的设计为实例,阐述了通过合理地安排光学结构、将次镜设计为球面反射镜、主镜和三镜在球面基础上改变高次非球面系数等,可使离轴三反光学系统的设计结果接近衍射极限,传递函数在50 lp/mm时都接近0.6,Strehl率由通常的0.91提高到0...     

分孔径三视场中波红外光学系统

为了克服单一光学通道长焦距与大视场之间的矛盾,设计了一款分孔径大变倍比三视场中波红外光学系统。该光学系统采用分孔径技术,包括小视场光学通道和中视场/大视场光学通道,两个通道之间的转换通过切出切入45°放置的反射镜完成,小视场光学通道采用二次成像,仅采用6片透镜,透过率高;中视场/大视场光学通道采用三次成像;小视场光学通道与中视场/大视场光学通道共用一片反射镜和中继组,实现了共出瞳分入瞳——分孔径;小视场长焦距为1 120mm,大视场短焦距为22.58mm,变倍比达到53×;对小视场光学通道进行了三次立体折叠,对中/大视场光学通道进行了一次折叠,有效地对横向和纵向尺寸进行了控制,外形包络在270mm×217mm×258mm范围内,系统紧凑,实现了兼具长焦距和大视场的三视场中波红外光学系统。设计及实验结果表明该光学系统像质良好,满足热像仪使用要求。     

面向光学装调微小距离测量的系统设计

光学仪器能否精准装调对其最终呈现的成像质量及性能有着重要影响。针对光学相机装校的修切量检测,提出了一种用于微小距离测量的光路方案并设计了一款物像等距的有限远共轭光学系统,其放大倍率为1×,数值孔径为0.09,视场为0.5°。根据实际应用需要,制定合理的光学指标,利用光学设计软件Zemax进行系统的设计与优化。结果表明,有限远共轭光学系统各视场在160 lp/mm处的调制传递函数均接近衍射极限,且都大于0.3,各视场的均方根半径小于艾里斑半径,满足光学指标设计要求。搭建实验平台,对装配星敏感镜头和CCD相机的修切圈进行测量,实验结果符合设计要求。     

大相对孔径折射式复消色差天文望远物镜设计

为了满足用于深空天体观测或摄影的天文望远物镜的大相对口径及高分辨力的要求,基于二级光谱的理论公式,以佩兹伐物镜作为基本结构,对所选择的玻璃材料进行了色散特性的分析。通过Zemax光学设计软件的优化,给出工作波长范围在405～750nm、焦距为500mm、视场角为3.2°、相对孔径为1∶5的设计实例。设计结果表明,该系统二级光谱得到了很好的校正,在100lp/mm处各视场传递函数均在0.52以上,满足接收器件有效尺寸为23.7mm×15.6mm的CCD成像要求,像面成像质量良好,适合深空天体的观测。     

长焦距大口径连续变焦距光学系统

为了实现对远距离目标的实时跟踪与测量,设计了口径为650 mm,焦距为5 000~2 000 mm的连续变焦距光学系统。提出了牛顿式折反射光学系统与倒置的连续变焦距光学系统组合的设计方法,实现了光瞳的合理匹配与对接。确定了合适的入瞳位置,消除了变焦过程中像面容易产生的鬼像。通过合理匹配主系统和变焦距系统的光焦度,使得二级光谱最小化。运用CODEⅤ软件对各焦距位置的像差进行优化与平衡,使变焦距光学系统在各焦距位置的像差均得到校正与平衡,像面保持严格的一致性,从而各焦距位置成像质量良好。实验显示该系统全视场平均传递函数均在0.524以上（Nyquist频率：35 lp/mm）,满足使用要求。     

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.     

大相对孔径大视场紫外告警相机光学系统

为了满足紫外告警相机的特殊应用需求,分析了超广角光学系统的结构形式、像差平衡以及像面照度的一致性。设计了工作于0.254~0.272m波段的大视场、大相对孔径紫外光学系统,其视场角为120°,相对孔径为1/2。该系统采用反远距,准像方远心光路设计,减小了轴外视场和轴上视场的像面不均匀性;通过优选光学材料并合理分配光焦度优化了系统特性。实验显示,该系统在满足成像质量要求的前提下,具有成像畸变小、像面照度均匀等特点。光学系统全视场最大弥散斑半径小于63.5m,轴上、轴外视场像面照度均匀性小于10%,0.71视场的相对畸变小于20%。整个光学系统结构紧凑,满足设计指标要求,适合紫外告警相机的使用。     

星载多谱段双视场紫外大气探测仪

针对天底和临边综合紫外大气探测的需求,分析了天底和临边双视场观测原理和技术指标,设计和研制了多谱段双视场紫外大气探测仪原理样机。该样机光学系统由前透镜组、环形透镜、中继透镜组和窄带滤光片组成,3个工作谱段的中心波长分别为265nm、295nm和360nm,带宽均小于20nm,天底视场为10°,临边视场为360°(141.8°~146.6°),焦距为5mm,F数为3.3,通过切换窄带滤光片完成3个谱段的探测。多谱段双视场紫外大气探测仪整机质量约为3kg,体积为Φ90mm×300mm。对样机的静态传递函数和像面照度均匀性进行了测试。测试结果表明,在特征频率38.5lp/mm处,天底视场的静态传递函数为0.24,临边视场的静态传递函数为0.22,像面照度均匀性为94%,均优于设计指标要求。该原理样机体积小、重量轻,满足空间光学遥感仪器小型化和轻量化的要求。