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。     

基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统设计

反射系统具有体积小、重量轻、无色差、成像性能优良等特点,广泛应用于航空机载领域。本文基于矩阵光学理论,并以此建立非线性方程组,用数学软件求解得到满足要求的初始结构。优化过程中不断调整系统各镜的偏心和倾斜,消除系统的中心遮拦。在光学系统中引入自由曲面,提升了光学系统的轴外像差平衡能力,增大系统视场角。设计了焦距100 mm,视场角20°×20°,相对孔径为F/7的离轴四反射镜光学系统。结果表明,该光学系统具有较大的成像视场,结构紧凑,无中心遮拦,成像质量接近衍射极限。     

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。     

基于自由曲面双波段离轴三反光学系统的优化设计

在航空遥感领域中,双波段光学系统是最具代表性的光学系统。与单一波段光学系统相比,双波段系统可以同时探测到背景信号和目标信号,从而获得更准确的信息。采用离轴反射系统这一方案与折射系统相比,在满足更长焦距的同时,又能实现光学系统小型化的目标。本文提出一种基于自由曲面的反射系统作为设计蓝本,能够获得如下优点:视场角更大,光路容易折叠,系统成像质量高,能够达到高分辨率成像以及系统的轻量化设计。本文采用动态光学理论对系统初始结构进行求解并通过对系统元件的倾斜与偏移计算获得离轴系统,系统引入自由曲面获得更加优质的成像质量。系统参数如下:焦距为2000 mm,相对孔径为1/2,视场角为6°×1°,工作波段为3~5 μm与8~12 μm,选用法国Sofradir公司生产的红外双色焦平面阵列非制冷型探测器;设计结果表明,加入自由曲面后系统的成像质量得到了明显改善,系统在整个工作波段内MTF值在14 lp≥0.3。     

紧凑型离轴三反光学系统的自由曲面设计

光学加工和检测技术的提高为自由曲面的应用开拓了新的领域,紧扣空间光学对压缩系统体积和实现系统性能提升的需求,提出一种可快速获得的紧凑型离轴三反光学系统初始结构,通过3个镜面折叠交叉排布,极大地压缩了系统体积;另外,节点像差理论为自由曲面应用提供了强大的理论基础,在优化过程中,两片镜子采用了泽尼克多项式面形。通过设计实例验证发现,最终系统具有结构紧凑、大视场、小F数等优点,同时该设计方法的优化过程具有收敛速度快等特点。     

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。     

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。     

离轴三反射镜光学系统研究

离轴三反镜光学系统具有高分辨率、大视场、质量轻、小体积等优点,能够满足空间对地遥感、红外系统多波段探测以及空间探测系统等的要求,使其光学系统具备高分辨率、小型化、轻量化等特点,成为研究的热点.以离轴三反射镜光学系统设计方法为基础,重点分析并讨论了三反射镜系统初始结构参量的确定方法.主要对传统的初始结构参量确定方法进行了分析,讨论了三种不同结构类型情况下系统各几何参量的求解范围,有利于系统根据实际需要合理选择结构参量.比较了两种初始结构设计方法的优缺点,指出了各自的适用情况.最后依据理论研究进行了实例设计,从像质的评定结果可以看出,系统成像质量接近衍射极限.     

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。     

应用光学自由曲面的曲面结构大视场仿生复眼系统

受限于制造技术,大多数仿生复眼的传感器为平 面结构,与生物复眼的曲面结构存在差异,限制了其成像质量和视场 扩展。本文设计制造了一个模拟生物复眼结构的大视场仿生复眼,将16mm CCD传感器组成2×8的曲面阵列,并 设计制造了配套的单层结构的曲面2×8透镜阵列,各透镜与传感器成 一一垂直对应关系,贴合了生物复眼的结构特征,消除 了传统复眼的离轴像差。通过引入光学自由曲面和非球面,保证了单层结构透镜阵列的成像 质量,单层透镜阵列降低了系统 的制造及装配难度。系统实现了180°×75°视场范围内无盲区的图 像采集。实验结果表明,与传统鱼眼镜头相比,本文系统畸变更小,分辨率更高。     

水下大视场连续变焦光学系统设计

针对现有水下光学系统中存在的主要不足,就某大视场水下连续变焦光系统指标要求,从水下光窗选型、光窗畸变、色差等的影响入手,分析了水下平板光窗引入的相对畸变和倍率色差特性,给出了相应的应对措施。结合水下工况对包络和工作距的要求,给出了一种三组联动的变焦系统设计模型和相应调跟焦组件的设计方法;通过在PNNP型结构中引入像差稳定镜组,对动态像差做稳定和补偿,改善了光学结构的像差校正能力,同时规避了凸轮曲线断点问题;通过在物方侧镜组中设置调跟焦镜组,保证了变焦全程对近景目标的清晰成像。完成了一个4 K水下大视场连续变焦光学系统设计,该系统工作距为0.5 m~inf,设计波段为0.48~0.64 μm,采用3840×2160高灵敏CMOS面阵探测器,像元大小为2 μm,变焦全程F数最大恒定为2.8,可实现全视场5.9°~62°、10倍以上连续变焦功能,具有较短的变焦行程、平滑的变焦轨迹、优良的成像性能等优点。     

小型大瞬时视场光学探测系统优化设计

基于小口径和瞬时大视场激光制导武器平台的要求,提出了一种小型捷联折射式离焦光学探测系统方案。该方案根据捷联式激光半主动目标探测模型和理想离焦光学系统模型得到激光制导理想光学系统参数,并以此参数为基础,使用ZEMAX软件进行优化,设计了工作波长为1 064 nm的离焦光学探测系统。该系统临界有效探测半视场为5.89,临界探测半视场为13,长径比为1.27,较好地解决了整流罩引入的像差问题,并且光斑重心位置与目标位置偏差角存在线性关系。验证实验结果表明该离焦光学探测系统误差小于0.15,满足大视场下目标位置偏差角探测的要求。     

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。     

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。