大视场、大口径双波段红外非制冷光学系统

军事和安全应用都需要利用红外探测技术来进行目标跟踪和搜索.由于红外或热成像系统探测的目标辐射能量低,因此需要光学系统具有强的集光能力;另外,用凝视方式可以获取大场景红外图像以去除传统的机械扫描装置,这要求红外光学系统具有足够大的视场.该工作研究的光学系统视场大于60×3.5度,F数F/1~F/2.5.采用了离轴三反射镜光学系统,系统结构简单,成像质量达到衍射极限.     

轻量化φ600 R-C光学系统主镜的研制

研制某R-C光学系统的关键技术之一是制造有效通光口径为600mm轻质双曲面主反射镜,该主镜相对孔径A=1.1.2,轻量化率53%,材料为德国肖特(Schott)公司微晶玻璃.系统在红外波段使用.主镜的加工中采用了会聚光奥夫纳补偿检验,激光辅助调节光路等措施,也在支撑方法和夹持方式作了改进,采用了定点手修像散的方法,确保轻量化主镜的成功研制.系统对接检验弥散圆直径0.02mm,用WYKO激光干涉仪检测,系统波面误差(PV)值为1.23λ(λ=0.6328μm),均方根(RMS)值0.18λ,各项指标达到了设计要求.     

大口径哈特曼扩束系统的设计和研制

论述了用于哈特曼波前探测系统的透射式光学扩束器的研制.以三级像差理论为基础,分析了传统扩束器没能很好校正轴外像差的原因,在推导计算出初始结构参数后,通过ZEMAX光学设计软件,设计出轴上和轴外像差都得到很好校正的、大口径、大相对孔径、视场可增大的新型扩束器.并根据此哈特曼扩束系统的实际使用要求,考虑支撑受力与热变形等因素,为光学元件配以相应的结构设计,给出了具体的设计实例.介绍了加工过程与调整方法,提供了检验方式.最终验收得到波前PV值为λ/4.     

大口径光学系统在空间的应用

在八十年代美国实施战略防御计划时,研制了空基、地基高能激光器以对抗前苏联核导弹袭击.这些防御系统中主要的光学元件是可以控制和聚焦光束的大型反射光学系统.用空基光学系统作为送入轨道激光器的系统,或作为地基激光器中继反射系统.因此要求空间光学反射镜重量轻,并有精确定位和跟踪以及静态、动态调焦的面形控制和波前误差校正装置.这类的反射光学系统必须能装入现有的空间运载系统,如宇航飞机,并且在轨道中能展开.大型光学系统的展开结构至今未能成功地解决这一难题.     

大视场像方远心离轴三反射镜光学系统设计

基于三反射镜的三级相差理论,通过自定义优化函数,并使用遗传算法寻找合适的三反射镜光学系统的初始结构参数,利用光学设计软件ZEMAX对初始结构进一步离轴优化,设计出了视场角为18°×0.6°,焦距为1700 mm,入瞳直径为200 m的像方远心离轴三反射镜光学系统。该光学系统无中心遮拦,成像质量接近衍射极限,适用于空间遥感领域。     

多波长透射式扩束器设计

从像差理论出发,通过实例介绍了扩束器的具体设计过程,并给出了物镜通光口径为200mm、焦距400mi、视场为2mrad、放大倍率为40倍和主工作波长为0.6328μm的扩束器结构参量,通过改变目镜与物镜间距还可以对波长0.532μm和1.064μm的激光进行同倍率的扩束,在应用时不必重新设计扩束器或目镜系统即可以对这三种波长进行扩束,使用方便,也节约成本.     

高倍率及大孔径扩束器的光学系统设计

高倍率及大孔径扩束器要求筒长短、口径大、轴上和轴外的像差都要很好地校正 ,所以光学系统的设计是非常困难的。论述了高倍率及大孔径扩束器的光学系统设计方法 ,给出了物镜通光口径为 2 0 0mm ,焦距为 4 0 0mm ,视场为 2mrad ,放大倍率为 4 5倍的扩束器的光学系统结构参数和像质评价结果     

入瞳位置前置式双通道全景环带光学系统设计

全景环带光学系统在机器视觉领域等领域中有广泛的应用,该类系统不断追求小型化、紧凑化,并且在保证系统结构紧凑小巧的同时实现大视场探测。针对上述需求对全景环带成像光学系统开展研究,并在分析全景环带头部单元形式的基础上设计了一款双通道全景环带光学系统。该系统由边缘视场通道以及中心视场通道组成,两个通道分别由入瞳位置前置式全景环带系统以及中心视场系统进行构建。通过合理的搭配,最终系统中心视场通道视场范围为0~18.5,边缘视场通道视场范围为38~83,在设计过程中,使用even-ogive面型对全景环带系统的特定面型进行设计,并对如何使用该面型进行了描述,最终所设计的系统的两个视场通道均可在0.486~0.656 m可见光波段内清晰成像,光学系统结构紧凑,成像质量良好,满足使用需求。     

被动消热差的大口径离轴光学系统

为了提高大口径离轴反射式光学系统的环境适应性,设计了被动消热差的大口径离轴光学系统。首先通过技术比较,确定了机械被动式的补偿路线。随后通过光学和机械材料的选取、光机结构的优化和补偿结构的计算,利用简单机械结构实现了系统的无热化。最后对系统的设计结果进行了仿真,分析了系统在-40 ℃、20 ℃和+55 ℃的光学传递函数。分析结果表明,利用该方法实现的大口径离轴光学系统完全满足温度补偿的要求,同时具有体积小、重量轻、易于实现且补偿精度高等优点。     

大功率激光扩束器的光学设计

为了使激光扩束器可以长时间的工作于大功率激光照射情况下,在传统多波长激光扩束器的基础上,利用变更材料和结构的方法进行改进,设计了2.3倍和6倍两级扩束的激光扩束器,用光学设计软件分析其像质并进行优化,对像质进行理论分析;加工成型后,置于实际环境中进行实验。经实验验证,在调Q脉冲激光器的峰值功率高达20MW的大功率激光照射下,在系统后1m位置出射光束直径分别为24.5mm和154.8mm,脉冲间隔可以在5s以上,并很好地保持了高斯光束的固有特性。结果表明,扩束器完全达到设计要求,有良好的使用效果。     

红外遥感器光学参数选择研究

研究了应用于红外光学遥感器的大口径RC光学系统的视场校正镜设计与主镜F#之间的关系,以及后工作距与主镜F#之间的关系.对五种不同主镜F#的RC加校正镜系统进行计算比较,结果表明在像质优良的前提下,主镜F#减小,系统后工作距缩短,视场校正镜越难于设计.     

大视场、大相对孔径长波红外机械无热化光学系统设计

研究了大视场大相对孔径长波红外机械无热化光学系统的设计, 设计了8～12 μm波段内F数为0.8、温度在-40～60℃范 围内无热化的光学系统。结果表明,该系统结构简单,像质好,在空间频率20 lp/mm处的 光学传递函数值大于0.5。     

大口径离轴碳化硅非球面反射镜加工与检测技术研究

分析了碳化硅作为空间反射镜材料的各种优点,研究了加工和检测离轴碳化硅非球面反射镜的各项关键技术。利用自行开发的非球面加工中心FSGJ-2对离轴碳化硅非球面进行了研磨、抛光和轮廓测量,分析了计算全息补偿检测离轴非球面的基本原理,并专门设计研制了计算全息衍射检测装置,对大口径离轴非球面反射镜进行了零位补偿干涉测量。结合工程实例对一口径为468mm×296mm的离轴碳化硅非球面进行了超精加工与检测,最终面形误差峰谷(PV)值为0.148λ,均方根(RMS)值为0.017λ(λ=632.8nm),达到了良好的效果。     

新型大相对孔径Schwarzschild光谱成像系统设计

为满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求,克服Offner光谱成像系统中凸面光栅加工的困难和改进型Czerny-Turner光谱成像系统相对孔径小的缺点,提出一种新型的基于平面光栅的大相对孔径Schwarzschild光谱成像系统,根据反射球面罗兰圆理论分析了该系统的像散校正方法,利用Matlab软件编制了初始结构快速计算程序。作为实例,设计了一个相对孔径为1/2.5,工作波段为400~1000nm的Schwarzschild光谱成像系统。首先利用自己编制的Matlab程序计算初始结构参数,再利用Zemax-EE光学设计软件对该光谱成像系统进行光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。结果表明,在整个工作波段内,点列图弥散斑的尺寸小于13μm,实现了大相对孔径宽波段像差的同时校正,在宽波段内获得了良好的成像质量,满足设计指标要求,也证明了这种新型Schwarzschild光谱成像系统是可行的,其在航空和航天高光谱遥感领域具有广阔的应用前景。     

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。     

长波红外两档5倍变焦光学系统设计

与连续变焦光学系统相比,两档变焦光学系统具有结构简单、装调容易、透射比高等优点.针对320×240非制冷焦平面阵列探测器,设计了一个长波红外两档变焦光学系统,系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入两片透镜实现宽视场,宽视场时全视场角为31.4°,可用于跟踪和搜索目标;窄视场时全视场角为6.44°,可用于捕获和观察目标.通过引入二元面和非球面,大大提高了成像质量,在空间频率111p/mm处,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

激光光学系统设计中球差对像方束腰的影响

文章主要针对激光光学系统设计中存在的球差对高斯光束像方束腰半径的影响进行了详细的讨论,并给出了具体关系。同时以曲线的形式分析了当物方束腰的位置和光学系统焦距变化时,由球差引起的像方束腰半径变化量也随之改变。最后通过激光羽烟衰减测试系统中聚光光学系统的设计实例说明了球差对高斯光束像方束腰的影响。     

激光/红外共孔径无热化紧凑型光学系统设计

基于激光测距和红外目标探测需求,设计了激光/红外共孔径无热化紧凑型光学系统.系统参数设计如下:工作波段为1.064μm激光和7.7～9.3μm长波红外,入瞳直径均为120 mm;激光焦距为800 mm;长波红外焦距为240 mm,F数为2,视场为2.29°×1.83°.选择带有Ritchey-Chretien(RC)反射系统的折反式光学布局,缩短系统纵向尺寸.光学系统共用主镜和次镜,利用次镜实现激光和红外分光.长波红外采用二次成像结构,达到100％冷光阑效率.通过选择合适的光学材料、结构材料和合理分配光焦度,实现了光学被动式消热差.在-50℃～+70℃范围内,激光接收能量集中度高,长波红外成像质量良好,满足实际使用需求.     

小口径非球面检测的方法

在分析各种传统检测方法的基础上,研究了小口径非球面的检测方法,给出了设计实例,实现了非球面曲面的光学检测,满足了非球面曲面在工程中的应用。