离轴反射光学系统像差特性研究

以轴对称光学系统的初级矢量波像差理论为基础,通过引入孔径缩放因子和孔径偏移矢量,获得了离轴反射光学系统初级像差特性。通过分析可知:离轴反射光学系统的初级像差依然由球差、彗差、像散组成。由于孔径缩放因子存在,离轴反射光学系统的波像差系数均有不同比例的减小,且轴对称光学系统的高级孔径像差会在对应离轴光学系统中引入较低阶孔径像差,例如轴对称光学系统未校正球差,对应的离轴光学系统除过球差外还将引入彗差、像散等。相比于轴对称光学系统的像差,由于孔径偏移矢量的引入,离轴反射光学系统的像差不再关于中心视场旋转对称,有可能在轴外视场产生像差零点。     

离轴非球面无光焦度系统的设计

以三级像差理论为基础,对反射式无光焦度系统的像差进行了分析.得出的结论为:在主、次镜均为抛物面的前提下,反射式无光焦度系统可以同时消除四种像差.以此结论为基础,综合离轴反射系统的优点,得出了一套离轴反射式无光焦度系统.以光束口径为φ100mm、缩束倍率β=5、主镜离轴量h=150mm的离轴反射式无光焦度系统为例,根据系统的像差结果可以看出,三级像差理论的分析结果是正确的.     

空间激光通信系统离轴天线设计研究

空间激光通信终端通常依靠光学天线提高整个通信系统的发射及接收效率。提出了一种空间激光通信系统的离轴天线系统,以克服传统卡塞格林两镜系统存在接收视场小、发射效率低等缺点。设计了一个通光孔径为150 mm,放大倍率为15,满足0.85、1.064、1.55 m多个通信波段光学天线系统。计算了初始结构参数,利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光学天线系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。分析结果表明:在整个工作波段(0.85、1.064、1.55 m)内,点列图半径几何值小于10 rad,实现了高放大倍率、宽波段像散同时校正,在宽波段内均达到衍射极限,满足设计指标要求,能够满足高性能空间激光通信系统的要求。     

基于Hartmann-Shack传感器的人眼离轴像差测量研究

人眼是一个不完善的成像系统,存在着各种像差,包括轴上像差及轴外像差, 这些像差都会影响视网膜的成像质量。而现阶段大多数人眼像差的检测方法主要针对轴上视场像差的测量,比如离焦、像散以及部分高阶像差的测量。因此提出了基于Hartmann-Shack波前传感器的人眼离轴像差的测量方法,建立测量系统并进行实验研究,当离轴角度从0°偏离到左右各5°、10°时,均方根（RMS）值分别从1.12变化到1.36（1.52）,1.41（1.96）,结果表明随着离轴角度的增加人眼外围视野的成像质量显著下降,原因一方面是人眼离轴像差的增大,另一方面是由于外围视野的感光细胞密度降低。     

离轴三反射式光学系统设计

在三反射镜光学系统的几何光学理论基础上,详细讨论了三反射式光学系统的设计方法,从初级像差理论出发推导出了三反射式系统初始结构的计算公式,并且得出了系统结构形式与其基本结构参数和焦距之间的关系。通过设计实例讨论了不同的三反射式光学系统的特点及其应用。设计了大视场、小F数且实现衍射极限成像的光学系统,且能有效抑制杂散光。     

离轴反射式光学系统的设计与装调分析

根据双镜反射系统的像差理论,设计了一种全新的离轴反射式像传递光学系统,该系统由两块相对放置的离轴抛物面反射镜组成。对该系统进行了装调分析和误差分析,讨论了元件的哪些失调量会对系统引入像差,根据误差分析的结果,给出了每一种失调量可允许的失调范围,其中反射镜偏心误差范围在-0.4~0.4 mm,倾斜误差范围在-0.1°~0.1°,两镜间距误差范围在-0.7~0.7 mm。     

结合矢量像差理论的离轴三反红外光学系统设计

多谱段、大相对口径、大视场红外光学系统具有探测精度高、噪声低、能够以凝视方式获取大场景红外图像等优点,因此成为光学系统设计的一个重要研究方向。文中介绍了此类系统的一般设计思路,提出了一种结合矢量像差理论的离轴三反红外光学系统的设计方法,该方法能够大幅度提高系统的设计效率。给出了一个设计实例,其焦距值为90 mm,F数为3.0,视场角为20°×20°,能够在中波红外和长波红外两个波段清晰成像,并且在各个视场下的MTF都能够达到或者接近衍射极限,该设计实例验证了该方法的有效性和可行性。     

强激光光束像传递测量系统离焦量干涉法测量

在强激光波前测量像传递系统中,4-f光传输系统透镜之间装调过程产生的离焦量引入了一个相位调制。首先从实验上测量了像平面处波面横向剪切干涉图样,利用矩阵光学和Collins衍射公式推导出了离焦量和激光波面横向剪切干涉条纹之间的理论关系,并得到了在无离焦情况下激光传输的空域和频域方程。对实验测量得到的干涉条纹空间灰度曲线利用最小二乘法进行了余弦曲线拟合,得到干涉条纹空间尺度,利用理论关系计算得到了离焦量的数值,实现了对像传递系统装调过程的定量描述。     

离轴抛物面镜像面扫描太赫兹光学设计

为了提高太赫兹成像速度,设计了一种像面扫描太赫兹快速成像系统。它为反射式单像素探测器成像,成像系统采用新设计的表面镀金的离轴抛物面镜结构以实现大口径、无遮拦、高反射率、高质量成像;反射成像系统光学设计F数为2.93,通光孔径为100 mm,视场为1,焦距为293.45 mm,成像窗尺寸为64 mm64 mm,圆孔直径为2 mm,扫描采集1616像素图像时间为0.1 min,3232像素图像时间为0.42 min,6464像素图像时间为1.7 min,空间分辨率为1 cm。扫描系统结合压缩传感成像理论采用新型像面扫描方法实现快速成像,在系统焦平面位置加入旋转多孔盘,对像面的图像进行太赫兹能量强度扫描,使用金属光锥收集能量到高莱探测器。利用压缩传感理论的特殊条件（采样数目与图像像素数相等）进行像面图像采集,然后利用正则归一化方程重构像面图像,该系统具有成像速度快、分辨率高、低成本、结构紧凑合理的优点。     

离轴三反望远镜主镜和三镜面形误差补偿机理

为保证大口径离轴三反消像散(Three-Mirror Anastigmat,TMA)光学系统在轨成像质量,探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理,以矢量像差理论为基础,用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差,并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现,位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散;提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式,以系统出瞳波像差RMS值为评价标准,构建离轴TMA系统像差补偿模型,利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时,所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ;系统三镜存在0.05λ像散与彗差时,可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ,且当三镜面形误差在(-0.03λ,0.03λ)范围内时,可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值,使系统成像质量满足要求,为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。     

成像光谱仪的离轴反射式光学系统设计

高分辨率成像光谱仪要求光学系统在宽视场和宽波段范围内具有高的空间分辨率和光谱分辨率。根据同轴三反光学系统初级像差理论计算初始结构,并分别将孔径光阑置于主镜、次镜和三镜焦点,通过光阑和视场离轴,设计了无中心遮拦的离轴反射式光学系统。其光谱范围为1.0~2.5 m,焦距f=1 600 mm,相对孔径为1/ 5,视场角为6.861.48,满足成像光谱仪宽视场、大相对孔径离轴三反消象散光学系统的设计指标。     

主三镜一体化离轴三反光学系统设计

离轴三反光学系统具有成像质量高、可实现大视场、无遮拦等优点,但其装调难度大,镜面支撑结构质量大。为解决这些问题,基于三级像差理论,研究一种主镜、三镜可集成一体化的大视场离轴三反光学系统,并以焦距为1 200 mm,F数为12,视场为101的光学系统为例进行了验证设计。结果表明:调制传递函数接近衍射极限,视场内平均波像差RMS值为/55,最大波像差RMS值为/22。设计结果显示,光学系统装调自由度由12个减少到6个,可使光机系统可得到简化,实现了主三镜一体化设计。     

成像光谱仪离轴三反望远系统的光学设计

视场宽、结构紧凑、体积小、质量轻是空间光学成像系统设计研究的热点.在共轴三反镜系统的几何光学成像理论基础上.从离轴三反望远系统的方案选择、初始结构计算、三级像差的校正及光学系统的优化4个方面,研究了成像光谱仪用宽视场、大相对孔径离轴三反消像散望远系统的设计问题,设计出一个光谱范围1.0～2.5μm、焦距f'=300 mm、相对孔径厂f'/4、视场角6.8°×0.1°的离轴三反望远系统,系统非球面最高次数为4次,总长约为f'/2,对于空间频率30 lp/mm处,调制传递函数值均大于0.8.     

离轴抛物面镜在温度传感器校准系统中的应用

为了改善温度传感器动态校准系统中的晶体透镜对激光束的聚焦效果,使用离轴90°抛物面镜代替晶体透镜对系统进行了改造,通过几何光学方法,对离轴90°抛物面镜应用于激光聚焦光路时的光轴的角度失准对聚焦光斑造成的影响进行了分析,并利用改进后的系统对CHAL-010型热电偶进行时间常数测试和动态校准实验,得到了CHAL-010型热电偶在温度阶跃为242℃左右时的时间常数值,完成了该热电偶的动态校准.结果表明,采用离轴90°抛物面镜代替温度传感器动态校准系统中的晶体透镜能达到温度传感器动态校准的目的.     

新型离轴反射式变焦光学系统设计

介绍了一种基于初级像差理论和矢量像差理论的机械补偿式新型离轴三反变焦系统的设计。提出了反射变焦系统初始结构的确定方法,对初级像差方程进行了约束优化,得到了满足要求的部分共轴初始结构参数。指出了利用矢量像差理论进行离轴反射变焦系统设计的必要性,提出了弥补共轴系统不足的离轴反射变焦光学系统的设计方法,分析了相应的去除遮拦、矫正像差的设计理论,并结合具体的设计指标,采用CODEV光学设计软件,设计出符合系统指标要求的离轴三反变焦光学系统,并对其进行了像质评价。结果表明,成像质量良好,满足总技术指标的要求。     

离轴反射式光学系统的研究进展与技术探讨

离轴反射式光学系统具有大口径、宽光谱,高分辨率等特点,在空间与远程探测技术领域具有良好的应用前景。离轴反射式光学系统的复杂性加大了其设计与工程化的难度。本文在分析其特点的基础上,结合国内外的研究情况,对其设计方法、波前探测、计算机辅助装调、光学零件加工检测、轻量化等技术进行探讨。     

红外图像转换器传递函数测试方法

红外图像转换器是红外成像制导武器半实物仿真系统红外成像目标模拟器的重要组成部分,用于产生动态红外目标/干扰环境特性图像。图像传递函数是评价图像转换器性能优劣的一项综合性技术指标,包含了图像在不同等效黑体温度条件下,不同分辨率对应的图像调制度。叙述了红外图像转换器图像传递函数的定义和测试方法,用经过标定的热像仪和光学放大系统对红外图像转换器产生的图像进行放大,测试了亮、暗条纹的辐亮度,计算了条纹对的对比度。描述了红外热像仪的标定方法和使用注意事项,给出了256×256元MOS电阻阵列红外图像转换器图像传递函数的测试结果。该文可作为红外图像转换器性能考核的参考。     

大口径离轴折反式中波红外连续变焦系统设计

基于制冷型320240凝视焦平面阵列探测器,设计了大口径离轴折反式中波红外连续变焦光学焦系统。系统工作波段为3.7～4.8 m,焦距范围250～2 000 mm,F数为4。光学系统分离轴无光焦度系统和透射式连续变焦系统两部分设计,匹配对接后优化。解决了透射式连续变焦系统因材料限制不能做到大口径、共轴折反式连续变焦系统短焦遮拦比大和离轴三反不能做到100%冷光阑效率的缺陷。满足100%冷光阑效率,在空间频率16 lp/mm处系统的MTF值大于0.5,具有像质好,分辨率高等特点,满足设计要求。