一种大视场姿态角传感器的光学系统设计

以光电准直和针孔成像原理为基础,结合虚拟扩展成像面技术,提出了一种新型的大视场二维姿态角测量方案.以针孔光阑和高精度反射镜组构成其光学系统,从菲涅尔-基尔霍夫衍射理论出发,建立了光学系统的成像模型,通过计算机数值仿真,设计了光学系统的模式和最优参数.按照设计参数搭建实际测量系统,对设计方案进行了分析验证.结果表明,光学系统设计合理,可以满足大视场姿态角传感器的设计要求.     

大视场显微镜的设计

描述了大视场显微镜的光学原理 ,技术特点 ,介绍了仪器的主要光学部件 :辅助物镜、物镜、球面反射镜、大目镜的设计方法 ,并给出了仪器的基本参数。     

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。     

超大视场头盔显示光学系统设计

设计了大视场头盔显示器的目视光学系统,用于满足头盔显示器对大视场、小畸变、高分辨率以及轻量化的苛刻要求.采用4×3阵列式排列、视场角为33°×24°的12组高质量成像目镜系统拼接成单眼目视光学系统来实现系统的大视场设计.为了使系统轻量化,每个单元目镜只采用一片透镜;透镜一面采用二元光学衍射面,利用其特殊色散特性校正目镜系统色差;另一面采用非球面,用于校正目镜光学系统的初、高级单色像差.其图像源为高亮度、高分辨率的OLED微显示器.设计结果显示:单目目视光学系统水平视场达到120°,垂直视场为60°,角分辨率为43 pixel/(°);单个目镜系统传递函数在40 lp/mm处,轴上视场高于0.62,全视场高于0.1;系统畸变小于3％;系统的双目视场为160°×60°,双目重叠视场为80°×60°.该设计实现了超大视场,满足头盔显示光学系统的成像要求.     

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。     

长焦距大视场光学系统光机结构优化设计

针对长焦距大视场轻型离轴三反空间相机,详细讨论了光机结构的优化设计问题。设计完成了适合于轻型高分辨空间相机的桁架结构,具有固有频率高、重量轻等优点。针对支撑结构的设计方案,采用有限元法结合光学设计分析软件进行了分析和计算。结果表明重力变形、谐振频率、热变形等方面均能满足使用要求。     

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。     

大视场平行光管光学系统的研制

一般的平行光管,其视场角大多在±1°左右,而检测战斗机仪表的平行光管,其视场角要求达到±15°,为此必须对光学系统做特殊的设计。通过理论计算和Zemax光学设计软件的优化,给出了通光口径为Φ100mm、视场角为±15°的四分离式光学系统的实例,并介绍了物镜组制造时的材料检测、物镜组的加工、装配组合等相关技术措施。     

长焦距大视场光学系统的光机结构设计

为了实现某长焦距大视场轻型离轴三反空间相机的光机结构设计,基于SiC材料空间反射镜,采用适合于轻型高分辨空间相机的桁架结构,对离轴TMA系统的支撑结构进行了静力学、动力学建模,优化了结构形式.采用光机热集成分析方法,指导、评价和优化相机光机结构设计过程,提高结构固有频率,增强相机热稳定性适应范围.相机结构设计基频>93 Hz,在±4℃均匀温变工况和重力作用下,相机光学系统传递函数(MTF)达到0.37;反射镜组件加速度响应最大放大倍数<6倍.结果表明,采用该方法设计的相机结构固有频率高,重力变形、抗振性能、热变形等方面均能满足使用要求.     

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.     

大视场液晶自适应视网膜成像系统

设计了大视场眼底自适应成像系统,用于扩大现有视网膜自适应成像系统的视场。对人眼等晕角视场下的自适应像差校正成像进行分析,确定了波前探测与成像校正两个过程对视场的不同要求。在共光源像差探测及成像光学系统中,采用切变视场光阑的方式先后在波前探测和自适应校正成像过程中进行小-大视场切换,避免了大视场中眼波像差探测失真问题,使成像区域由200 μm扩展到500 μm。利用人眼等晕角大视场使眼底液晶自适应成像系统在不降低成像质量的前提下将成像区域扩展了2.5倍,大幅提升了该自适应成像系统在临床上应用的可行性。     

大视场低畸变的星敏感器光学系统设计

星敏感器是微纳卫星的重要组成部分,其通过光学遥感技术,可推测出微纳卫星的飞行姿态信息.根据星敏感器的要求及所选探測器CMV300参数,设计了一种基于球面的星敏感器光学系统.该光学系统由6片国产透镜组成,光谱范围为520～880nm,视场角18°,相对孔径1/1.49.优化后的光学系统焦距为25mm,总长为37.9mm,具有极低的畸变率(≤0.12％),能量集中度大于或等于90％(2×2像元内),成像均匀且具有良好的色差校正.结果表明,该光学系统成像质量良好,可满足微纳卫星对星敏感器的要求及发展需要.     

基于视场拼接方法的仿生复眼光学系统设计

为解决传统单孔径光学系统存在的大视场与高分辨率之间的矛盾,利用复眼大视场、高分辨率的特点,将大孔径仿生复眼成像技术应用于目标定位系统,并克服了子眼孔径小、视距短的缺陷。首先,通过系统地研究相邻子系统视场间的关系,分析了子系统视场分布形式与总视场角的关系。然后,依据入射窗与出射窗的物象共轭关系,提出了子眼视场拼接的几何模型,并推导了子眼视场拼接与子眼系统参数之间的数学关系。最后,利用该方法设计的31组元仿生复眼成像系统全视场可达53.9°,系统最高角分辨率为0.006°,最低角分辨率为0.017°。13组元样机的仿真与实验结果表明:图像采集与视场重合结果与仿真数据一致,验证了该视场拼接方法理论及31组元仿生复眼成像系统设计的正确性。对视场拼接方法的研究解决了大孔径仿生复眼光学系统中子眼视场分配与布局的问题,为大孔径仿生复眼中子眼系统的设计与结构布局提供了理论依据。     

红外双波段双视场共光路光学系统

考虑红外多波段双视场共光路系统多谱段色差严重且能量透过率低,本文设计了结构简单的红外中波/长波双波段双视场折射系统,实现了成像系统的功能多样性。该系统采用了320pixel×240pixel红外中波和长波双色焦平面阵列探测器,通过引入非球面元件提高了系统校正像差的能力,实现了镜片组的结构性调整。系统包括变焦和二次成像两个子系统,其中变焦系统短焦距为50mm,长焦距为200mm,满足100%冷阑匹配。像质评价结果表明:在17lp/mm处,调制传递函数(MTF)在中波处大于0.5,在长波处两个视场下都接近衍射极限;另外80%左右的能量都能被集中在一个像元上,光谱透过率均匀,且无严重的冷反射现象。优化后的光学系统具有适用范围广,结构紧凑以及成像效果好等优点,在机载光电侦察跟踪设备上有较好的应用前景。     

大视场线扫描共聚焦全息显微成像

传统显微成像一般记录样本的强度信息,对于半透明或相位组织成像对比度较差.为实现相位组织非荧光标记成像,采用线扫描共聚焦全息成像方法,在线扫描共聚焦成像的基础上增加一路参考光,在共聚焦狭缝处形成离轴像面数字全息,通过控制样本的移动实现对样本的扫描,将获得的干涉线合成为二维全息图,通过频域滤波的方式获得振幅与相位分布,采用...     

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。     

大孔径大视场轻小型星敏感器光学系统

提出了一个大相对孔径、大视场轻小型CCD星敏感器光学系统设计方案,该星敏感器焦距为22.5 mm,F数为1.2,谱段范围470~750 nm,视场角25°。采用双高斯基本型后加一片近乎等晕的正透镜,获得了较大的相对孔径,同时选择高折射率玻璃材料增大视场并降低轴上及轴外光束入射角,高折射率玻璃材料亦能降低高级像差且使系统总长缩短。像质分析表明,此设计方案能够满足使用要求,光学系统总长仅为46.51 mm,满足实际工程轻量化需求。     

大孔径面视场PG成像光谱仪的光学设计

针对成像光谱仪通过狭缝进行线视场成像时存在的孔径较小、光学透过率较低等问题,研究了一种基于棱镜-光栅型分光结构的大孔径面视场成像光谱仪。该棱镜-光栅成像光谱仪采用表面浮雕型透射光栅,极大地降低了光栅的制作难度与成本。大孔径面视场的成像光谱仪相较于线视场成像光谱仪有较高光学效率和时间效率。但是面视场成像光谱仪的色畸变与谱线弯曲较难校正。本文将前端望远系统与分光系统进行一体化设计,满足远心光路匹配和孔径匹配,较好地校正了面视场光谱成像系统中的谱线弯曲和色畸变。并且通过加入非球面反射镜及校正镜很好的校正了由于大孔径面视场所引入的非对称性离轴像差。结果表明,设计的大孔径面视场PG成像光谱仪光谱波段范围400~1 000nm,光学调制传递函数达到0.65以上,光谱分辨率达2.5nm,全谱段不同视场的谱线弯曲小于5μm,色畸变小于8μm。     

基于BP神经网络的大视场成像畸变校正方法

提出了基于BP神经网络的畸变校正方法,实现了在不确知畸变数学模型情况下的高精度校正。应用平行光管法测得900组光点坐标数据作为BP神经网络的训练样本,通过训练得到一个隐含层有6个节点的3层BP神经网络模型,然后使用77组数据检测了该神经网络的校正效果,并与使用相同检测数据的双线性插值方法进行了比较。实验表明,神经网络较插值方法精度高,误差数据分布的规律性好,而且与插值方法相比,它避免了误判区域的问题,便于校正。     

多镜面大视场主动光学望远镜调控方法

为了更好地实现多镜面大视场主动光学望远镜波前像差抑制、提升望远镜探测能力极限,本文基于望远镜视场边缘内置的错位型曲率传感器进行波前感知,并利用功率谱对波前感知结果进行分析,进而基于波前像差的空间频率特征进行调控。首先,基于复光场理论分析了非瞳面对系统波前调控的影响机理。其次,分析了本方法在多镜面大视场主动光学望远镜调控过程中的精度特性。再次,利用桌面实验对多镜面大视场主动光学望远镜调控的可行性进行了验证。最终,波前重建结果与理论波前相关性高于0.85。利用功率谱对各个视场的空间频率特性进行了分析,与单纯使用均方根对多镜面影响敏感度进行分析的方法相比,灵敏度提升了20%。