大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计

设计了一款大线视场离轴三反光学系统,系统焦距1 200 mm,相对孔径1:12,视场角301。设计中,第三反射镜应用了x-y多项式光学自由曲面提升系统设计自由度,为便于装调,保证关于子午面像质对称,对x-y多项式自由曲面表达式进行了修正。设计结果得出,该系统光学传递函数均优于0.45@50 lp/mm,工作视场内,系统最大波像差为0.056,平均波像差RMS值为0.036,最大畸变值为0.8%,像质相对于子午面完全对称。系统进行了合理的公差分配,蒙特卡罗分析结果显示,该光学系统最终可实现平均波像差优于/14的成像质量。该系统的设计对空间遥感器光学系统的设计具有一定的参考价值,适合作为大幅宽推扫成像系统。     

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。     

轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计

随着空间技术的不断发展,高性能、低成本的轻小型空间光学系统成为空间光学领域一个新的研究热点。离轴三反光学系统具有成像质量高、大视场、轻量化程度高等特点,能够更好地适应轻小型、低成本空间光学系统的应用要求,具有广泛的应用前景。以高斯光学和三反消像差理论为基础,设计了一款第三反射镜为自由曲面的离轴三反光学系统,焦距1 550 mm,视场3.60.45,相对孔径1:6.2,自由曲面的加入极大地提高了系统设计自由度和成像质量。设计结果表明,在有效视场内系统成像质量良好,fMTF优于0.43@111 lp/mm,系统最大波像差为0.049 （=632.8 nm）,平均波像差RMS值为0.034 ,最大网格畸变0.9%,成像质量相对于子午面完全对称。系统的总长小于f'/3.1,高度小于f'/4.1,且系统的加工和装配公差较为宽松,易于实现。该设计结果对轻小型空间光学系统的设计具有一定的参考价值。     

大视场离轴三反光学系统设计

针对地球环境遥感的大视场和宽 光谱的应用需求,在同轴三反光学系统的基础上,通过 视场离轴实现了无中心遮拦,并设计了一种焦 距为120 mm、F数为3.5、工作波长为0.4~1.65 μm、像元尺 寸为7.5 μm以及采用Cook三片式结构的光学系统。在没有使用自由曲 面的情况下,实现了30°×4°的大视场。其中,主镜为六 次双曲面,次镜为二次扁椭圆面,三镜为四次扁椭圆 面。在全视场范围内,该系统在奈奎斯特频率处的调制传递 函数(Modulation Transfer Function, MTF)大于0.6,接 近衍射极限。其弥散斑直径的均方根值小于探测器的像元尺 寸,畸变小于2.5%,说明本文系统具有优良的成像性能。     

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。     

双自由曲面大视场头盔显示光学系统设计

视场大小是评价头盔显示器在虚拟现实等领域的关键性能指标,为了克服视场增加带来各类像差急剧增大的困难,提出了一种基于双自由曲面的大视场头盔显示光学系统。首先,分析了双椭球结构实现大视场与低畸变的基本原理,指出了其难以校正除畸变以外其他像差的原因。接着,提出根据系统对称性和光路走向采用竖直方向对称、水平方向不对称的自由曲面反射镜校正离轴像差,完成了基于双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统设计。系统视场范围为106.3(H)80(V),最大相对畸变为6.97%,出瞳直径8 mm,点眼距19 mm。单目系统向外倾斜8时,双目视场范围为122.3(H)80(V),双目重叠视场为90.3(H)80(V),瞳距在55~71 mm范围内可调节。对系统性能分析结果表明:相比双椭球结构,系统成像质量得到较大提高;视场范围和相对畸变满足虚拟现实领域的应用要求。     

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。     

离轴反射式头戴显示光学系统的自由曲面设计方法

为克服现有离轴头戴显示光学系统设计方法不能直接设计全视场全孔径自由曲面反射镜的问题,提出了基于马吕斯定律的自由曲面三维直接设计方法。首先根据马吕斯定律求解自由曲面在全视场和全孔径范围内的所有特征数据点,然后将特征数据点拟合成用多项式表征的自由曲面,直接获得成像质量良好的自由曲面离轴系统初始结构,最后利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化,确定最佳拟合系数,生成所需的自由曲面反射镜,得到离轴头戴显示光学系统最终结构。该方法简化了设计流程,计算效率高。基于提出的方法分别设计了单反射面和双反射面的头戴显示光学系统,单反射面系统的出瞳直径为3 mm,视场角19.12°×14.4°;双反射面系统的出瞳直径为8 mm,视场角23°×16°。设计结果表明,用该方法设计的单/双反射面头戴显示系统,其成像质量良好,系统结构紧凑。公差分析表明,引入公差后单/双反射面头戴显示系统最终可实现全视场调制传递函数(MTF)大于0.3 lp/mm和0.35 lp/mm。     

离轴四反射镜光学系统设计

与一般光学系统相比,航空遥感光学系统具有长焦距、大口径、宽波段等特点。因此,广泛使用反射式光学系统。常见的离轴三反系统已不能满足系统小型化、轻量化的要求。介绍了一种无中心遮拦的离轴四反射镜系统,由离轴三反系统改进而成,结构更加紧凑。带一次中间像面的离轴三反系统的中间像位于次镜和三镜之间,为了进一步折叠光路,在中间像面处加入球面反射场镜,从而成为离轴四反。分析了离轴四反的设计步骤,设计了一个焦距为1 200 mm,视场为0.8°×0.8°,相对孔径为F/6的光学系统,系统总长只有300 mm,并达到很好的光学性能,具有长焦距、小尺寸、良好的杂散光抑制能力等特点。     

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。     

折反式大口径、大视场、宽光谱光学系统

在地面的目标探测光学系统多采用大口径(500 mm)同轴光学系统的前提下,系统探测的大视场和宽光谱就成了亟待解决的问题。设计了附带小口径球面透射校正镜组的折反式光学系统,利用该校正镜组校正了系统由于大相对口径、大视场和宽光谱带来的像差,使系统达到了预定的指标要求。其中只有主反射镜面形为二次非球面,设计参数也易于加工。在相应的实例要求下,用ZEMAX光学设计软件进行了优化评价,并给出了该系统的对星观测结果。该光学系统设计的口径为Ф750 mm,相对孔径为1:1.32,视场为4 ,光谱范围为500~800 nm,系统实际探测能力在15 Mv以上。该系统结构简单,均采用普通玻璃材料,成本低,成像质量良好。     

紧凑型偏视场多光路耦合同轴四反光学系统设计

随着轻小型卫星技术的不断发展,紧凑型光学载荷成为空间光学领域一个新的研究热点。偏视场多光路耦合同轴四反光学系统具有长焦距、大视场和高轻量化水平等优点,可以更好地满足光学载荷高分辨率、多功能性、轻小型和低成本的应用需求,因此在轻小型光学遥感载荷领域有着广泛的应用前景。以高斯光学和三级像差理论为基础,对同轴四反光学系统的初始结构进行了分析。以一种适用于推扫成像的偏视场可见光、中波红外耦合成像光学系统为例,实例中可见光通道焦距4 m,工作谱段0.45~0.85 μm,相对孔径1∶10,中波红外通道焦距1.6 m,工作谱段3.7~4.8 μm,相对孔径1∶4,各通道视场角均为1.4°×0.2°。同时对系统成像质量及公差进行了分析,从分析结果可以看出,各通道成像质量均接近衍射极限,系统光学总长优于f’_visible/5.48,具有较高的压缩比,且系统的加工和装配公差较为宽松,易于实现。     

大扫描视场红外椭球形整流罩光学系统设计方法

应用椭球形整流罩的飞行器具有良好的空气动力学特性,但由于头罩的非旋转对称结构特性,后续红外搜索/跟踪成像系统难以同时实现大扫描视场与良好成像质量.为解决这一难题,提出一种基于拱形校正元件和动态校正器的椭球形整流罩光学系统设计方法,使用该方法设计的中波红外头罩光学系统具有±54°的超大扫描视场,且成像质量在整个扫描和瞬时视场内接近衍射极限.     

大视场凝视型红外共形光学系统设计

为提高导弹整流罩气动性能,增强导引头系统稳定性,增大观察视场,完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合,通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题,最终获得±90°的无渐晕观察视场,其冷光阑效率为100%,全视场MTF在15 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根半径小于30μm,在半径为50μm圆内能量集中度为93%以上,像面相对照度高于85%,满足大视场光学系统的成像要求。     

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。     

基于自由曲面非对称配光的LED路灯眩光抑制研究

针对LED道路照明中的眩光问题,基于自由曲面透 镜设计,提出一种非对称单侧蝠翼配光方法。进行眩光抑制。分析了LED路灯眩光成因,得 出消除眩光的非对称单侧蝠翼配光要求,通过非成像光学设计,以能量守恒定律与折射定律 为理论基础,对自由曲面进行迭代优化,将普通LED的朗伯型分布曲线变 换为单侧蝠翼型的配光曲线,从而改变LED路灯的照明角度,实现抑制眩光的目的。仿真结 果表明, 本文方法设计在单向通行的照明环境下,可以实现照度均匀度优于0.65,同时消除眩光,具有良好的应用和发展前景。     

用于波前校正的自由曲面反射镜设计方法研究

自由曲面反射镜拥有能够校正高能固体激光系统的波前畸变的能力。使用自由曲面反射镜进行波前校正,对镜子加工设计的精度有很高的要求。基于波前的相位互补原理,设计了自由曲面反射镜。并通过BP神经网络算法进行曲面重构,拟合出满足数控加工要求较高精度的自由曲面方程。     

宽光谱日夜两用鱼眼监控镜头的设计

设计了一款宽光谱日夜两用鱼眼监控镜头,使用近红外LED光源照明及IR-CUT双滤光片,近红外波长为850 nm,采用Zemax软件的多重配置结构设计,使用固定焦距,实现可见光和近红外光的共焦。对设计的光学系统结构和像差曲线进行分析,设计全视场角和相对孔径分别为175°和1/1.8,使用1/3 in CCD成像接收器件,全视场MTF值在空间频率100 lp/mm处达到0.3。     

一种轴向变倍四视场中波红外光学系统

设计了一款长焦距大变倍比轴向变倍四视场中波红外光学系统.该光学系统由前固定组、变倍调焦组、中间补偿组、后固定组、反射镜一、反射镜二、中继组组成.光学系统采用光学补偿叠加机械补偿方式克服单一光学补偿或机械补偿变焦方式无法同时满足光学系统长焦距、大变倍比、光学系统小型化、光学系统宽温度范围(-40℃~70℃)温度补偿等问题,实现了兼具长焦距和大变倍比的轴向变倍四视场中波红外光学系统.设计结果表明该光学系统像质良好,满足热象仪整机使用要求.