折/衍混合多光谱红外成像光谱仪离轴系统设计

采用二元光学透镜作为分光元件的多光谱成像光谱仪,由于焦距随波长的变化改变了系统的F数,因此改变了系统的放大率,从而引起光谱图像的像元配准误差。为改进基于二元光学透镜的多光谱成像光谱仪的性能,首次提出将离轴三反射镜系统与具有二元光学透镜的变焦距系统相结合的新技术方案。设计了由三片二次非球面生成的无中心遮拦的前置望远镜,该望远镜不仅有利于提高多光谱成像光谱仪的集光能力,且有利于系统的小型轻量化。同时设计了含二元光学透镜的三片型变焦距组件,用来消除多光谱成像光谱仪的像元配准误差。整个多光谱成像光谱仪系统仅有6个单片,非常简单。另外,该系统在空间频率为20 c/mm时MTF超过0.3,充分满足红外焦平面探测器对多光谱成像系统分辨率的要求,像面尺寸为7.2 mm。适用于探测单元尺寸为25μm、规格为128×128元的红外焦平面探测器。     

折射/衍射长焦距红外系统的设计

基于衍射光学原理的衍射元件(DOE)有着传统光学元件无法比拟的特点,其独特的色散性质有利于校正系统色差.通过理论分析得到衍射元件设计方法,并以此为基础设计仅含有两片锗透镜的红外成像系统.系统焦距达到300 mm,系统F数1.5,像高20 mm.设计结果表明,红外折射/衍射系统与传统红外系统比较,在要求的光谱范围内系统成像质量有明显提高.     

用于运动目标探测的球面复眼透镜的结构设计

提出了一种球面复眼成像系统的结构设计方案.基于电场操控液滴透镜面形可实现变焦的技术,在球壳基底上制作非球面液滴透镜并用电场改变其焦距以满足不同视场角的成像要求,通过折转透镜将不同视场角的入射光聚焦在平面CCD的不同位置,从而在获得大视场的同时改善了边缘光线的成像质量.讨论了非球面液滴透镜的制备过程,设计了球面复眼透镜系统的结构,并利用ZEMAX软件进行光学建模,分析了单个通道的成像性质以及各个通道在成像平面上的位置关系.结果表明:该结构在±45°视场角内对边缘光线的成像质量有明显的改善作用,在大视场成像的同时保持了低像差,可以满足运动目标检测的应用要求.     

大视场曲面仿生复眼光学系统设计

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题,设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先,针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式,建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型;再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题;并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°,组合系统的焦距为61.14 mm,角分辨率为2.304″,系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言,此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。     

微透镜阵列扫描成像系统的衍射分析与研究

微透镜阵列是微光学元件典型器件之一,广泛的应用于光束整形、精密测量、光学成像等场景。本文研究了微透镜阵列扫描成像系统的工作机理,并重点分析了影响成像质量的光场衍射效应和杂散光串扰,完成了微透镜阵列扫描成像系统衍射效应的推导与仿真,揭示了衍射效应与焦距及子单元孔径之间的关系,为微透镜阵列扫描成像系统的实际应用提供了导向,并为微透镜阵列的光束控制应用提供理论支撑,为微透镜阵列的建模、设计等提供依据。     

焦距对计算关联成像质量影响的实验研究

传统光学成像要求像面在成像透镜组的焦平面上,以此获得最大的光通量,因此焦距对成像质量影响较大。研究了焦距对计算关联成像成像质量的影响,搭建计算关联成像系统,利用桶探测器信号的强度涨落分析不同焦距下的关联成像结果,分析了背景光强对强度涨落的影响。结果表明:焦距和背景光强的变化对计算关联成像成像质量影响不大,解决了热光关联成像中两光臂不等形成的散焦造成成像质量下降的问题,并且该成像只用一个无空间分辨能力的探测器就能完成高分辨率成像,降低了对探测器分辨能力的要求,避免了光通量在维度上的分配,提高了信噪比,且无需成像透镜,该成像方式非常适合用于极弱背景下的成像探测。     

用二元组合光学元件产生多重像

报道了一种用离轴型二元组合光学元件产生多重像的新方法。此元件集Ｆｒｅｓｎｅｌ波带板和二维Ｄａｍｍａｎｎ光栅为一体，同时具有分束和聚焦功能。应用时无需成像透镜。分束点阵为９×９，焦距为８２３ｍｍ。当物的频谱面和二元组合光学元件的平面重合时，在与物面共轭的像面上产生同一物的９×９个多重图像，排列与分束阵列相同，图像清晰均匀．光强相对误差小于５％。     

光轴一致性误差对空间透射式系统像差和质量的影响

应用于空间光学的高精度透射式系统对光学装调有着严格的要求,微小的光轴一致性误差都将严重影响系统质量。介绍了一种通过像差分析和仿真预估指导光轴一致性装调的方法。以应用于空间光学的大口径长焦距透射式镜头为例,计算光轴一致性误差的像差特性。首先给出了光学元件偏心与系统像散、彗差以及球差的关系。然后详细分析了各不同透镜像差贡献的差异,分别计算了各元件偏心和倾斜对系统像散和彗差的影响。利用波前均方根(RMS)和光学传递函数(MTF)作为评价函数,得出各个分离透镜偏心误差对不同像差和系统成像质量的影响权重。最后在实验上对该方法进行验证,光学系统装调后实测结果满足像质要求。该方法能够为实际光学装调提供必要的参考,为高精度透射式光学系统的光轴一致性误差调整提供依据。     

平面交叉型微透镜阵列的制作及成像特性研究

介绍了采用光刻离子交换工艺制作平面交叉型微透镜阵列的方法。利用积分形式的光线方程式讨论了平面交叉型微透镜的近轴光学特性，研究了微透镜的光线轨迹方程式和一些重要的近轴成像特性，利用ABCD定理得到了平面交叉型微透镜像距、焦距、像高、横向放大率和主平面位置的数学表达式，焦距的理论计算结果和实验数据吻合得很好。     

全向凝视光电成像系统鱼眼透镜的设计

为了实现光电成像系统对半空域目标的成像、探测和告警,以大视场成像理论和像差理论为基础,采用缩放法对光学系统鱼眼透镜进行了理论分析和仿真设计。利用桶形畸变及光阑彗差来增大像面照度的均匀性,通过光线追迹减小系统轴外像差,对系统成像质量进行多次评价与分析,并推导了透镜成像的畸变校正模型。结果表明,在可见光波段,得到了成像质量良好的鱼眼透镜,CCD有效像面尺寸为8.446mm×7.042mm,有效像素为2448×2050,视场为180°,焦距为2.24mm,相对孔径为1:2.8,像面照度均匀性达到90%以上,点列图弥散斑均方根半径值小于1/2像元,光学传递函数在145lp/mm空间频率处大于0.4。全向凝视光电成像系统可实现半空域目标实时探测。