制冷型大面阵自由曲面离轴三反光学系统设计(特邀)EI北大核心CSCD

针对超大面阵红外遥感探测的需求,设计了一个基于自由曲面的超大矩形视场制冷型离三反光学系统。系统采用一个偶次非球面反射镜和两个自由曲面反射镜组成二次成像的结构,具有实出瞳并与冷光阑匹配,能够实现100%的冷光阑效率。与其他离轴三反系统相比,该系统最大特点在于其适配了4 k分辨率的大面阵红外探测器,具有视场大、无遮拦、成像质量好等技术特点。系统焦距为150 mm,工作波段为1.5~5μm,工作F数为5,视场为30°×25°。结构上,主镜采用偶次非球面,次镜和三镜采用XY多项式自由曲面,以校正大视场下的各种像差,系统在各个视场下调制传递函数在25 lp/mm处均大于0.4,满足大面阵红外探测器的成像质量要求。     

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。     

基于量子遗传算法的自由曲面离轴反射光学系统设计

针对自由曲面离轴反射光学系统的初始结构较少、优化过程复杂的问题,提出了一种基于量子遗传算法的离轴反射光学系统设计方法,即采用量子遗传算法结合像差理论得到高像质的初始光学系统结构,再对其离轴化处理并引入自由曲面,进而设计得到自由曲面离轴反射光学系统。该方法可以方便、快捷地为自由曲面离轴反射光学系统提供像质良好、特定布局的初始结构。以离轴三反系统为例,采用该方法设计了一套工作在可见光波段、视场大小为10°×4°、F数为2的主三镜一体化的自由曲面离轴三反系统。仿真结果表明,该离轴三反系统视场较大、结构紧凑、成像质量良好,其最大RMS波像差为0.0485 λ (λ=0.6328 μm),全视场的调制传递函数（MTF）在50 lp/mm处大于0.9,且一体化集成结构有利于简化系统的对准及装调。     

结合面型和视场优化策略的自由曲面设计方法

为了增大光学系统的视场,针对含有自由曲面的离轴反射式光学系统设计,提出了一种面型优化策略和视场优化策略相结合的优化设计方法。该方法从小视场出发,以表征光学系统波像差的Zernike标准多项式各项系数为评价依据,确定像差分量优化顺序,有针对性地选取和优化XY多项式项系数;计算各视场波像差在全视场波像差的占比,据此调整各视场的优化权重。在小视场范围内优化获得满足光学系统性能指标的结构参数后,逐步拓展视场范围,交替使用面型和视场优化策略,实现全视场范围内光学系统的优化设计。应用该方法设计焦距1 200 mm、F数为12、视场303的含有自由曲面的离轴三反光学系统,仅通过优化15项XY多项式系数表征自由曲面,设计结果接近衍射极限,且有利于指导更宽视场的自由曲面光学系统设计。     

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。     

自由曲面离轴四反全铝光机红外探测系统(特邀)EI北大核心CSCD

为满足红外探测系统对大视场、轻量化、低成本的需求,设计并研制了一款用于制冷型红外探测器的自由曲面离轴四反全铝光机系统。光学设计采用具有实出瞳的离轴无遮拦全反射式光路形式,并利用7次XY多项式表征各反射镜面型。在紧凑包络约束下,实现了6.25°×5°的视场角,全视场RMS几何弥散斑半径<6.0μm。各反射镜和支撑结构材料均选用6061-T651铝合金,各反射镜进行了柔性支撑设计,以降低装调时的刚性连接应力。采用激光干涉仪对光机系统波像差进行了测试,典型视场波像差相似文献   

自由曲面在离轴光学系统中的应用

针对自由曲面能提升成像光学系统的性能和校正像差的特点,分析了自由曲面在离轴光学系统中的应用优势。光学系统选用视场角为30°×11°、焦距为150 mm、F数为3的Cook-TMA。本设计中,离轴三反光学系统的主反射镜采用自由曲面设计。分析了使用Zernike多项式曲面在大视场离轴反射式光学系统中对离轴光学系统性能的提升效果,并与使用常规非球面的情况进行了比较,分析了自由曲面的优缺点。结果表明,自由曲面在提高离轴光学系统的成像质量方面具有更大的优势,系统的平均传递函数比常规非球面提升了15.9%以上,系统接近衍射极限。Zernike多项式曲面在离轴三反系统中的应用效果良好,系统的成像性能得到了较大的提升。     

宽光谱实入瞳远心中继光学系统设计

红外光谱成像系统、光场成像系统、光学显微系统、偏振干涉成像系统、复眼成像系统、环带式全景光学系统、多尺度成像系统及头戴式增强显示系统等光学系统中,通常需要中继光学系统来实现光路衔接、配曈、偏转等。研究了现有中继光学系统结构,介绍了光阑前置即具有实入曈的像方远心离轴三反光学系统的设计方法及自由曲面的描述方法,完成了满足设计参数的具有实入瞳的远心中继光学系统仿真设计,系统各镜采用XY多项式描述的自由曲面离轴三反光学系统结构。CODEV仿真设计结果表明,在工作谱段0.4~5.0 μm、焦距400 mm、F数3、视场角2ω=8°下,系统MTF(Modulation Transfer Function)接近于衍射极限,畸变小于1%,成像质量良好。     

制冷型中/长波红外双波段一体化全反射式光学系统设计

为避免透射式系统存在的色差问题,采用离轴反射式光学系统,在三镜后加分色片,分别成像到中波探测器及长波探测器的焦面上,实现对中波红外和长波红外两个谱段信息的同时成像。该一体化系统由3个离轴反射镜和一个分色片构成,为校正系统像差,三镜采用XY多项式曲面。采用二次成像结构形式,具有100%冷光阑效率。系统F数为2.67,视场角11.4°×1.8°,工作波段为中波3.55~3.93 μm,长波10.3~12.5 μm。中波红外系统MTF平均值大于0.5@25 lp/mm,长波红外系统MTF平均值大于0.4@12.5 lp/mm,采用光学被动式消热差法对光学系统进行温度补偿,温度适应范围为-40℃~+60℃。     

用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题,编制了初始结构计算程序,采用视场离轴方式,设计了一个波段范围0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1:4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。     

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。     

面向高性能的红外折射式镜头装调技术

针对红外光学材料折射率不均匀导致系统波前产生异常像差,从而引起镜头像质严重下降的问题,提出了一种光学件位置迭代调整和面形修配相结合的系统波前补偿方法,实现面向高性能的红外折射式镜头装调。在光学件精密定心的基础上,设计了在线装调检测装置,依据镜头实测波前并结合计算机辅助装调技术,通过迭代调整光学件位置矫正系统波前初阶像差。对系统残留的中高阶像差,根据各视场测得的系统波前综合分析计算,采用修配光瞳处光学件面形,引入反残留波像差的方式补偿。实验上,通过对某红外折射式镜头装调,将镜头三个视场系统波前RMS (λ=3.39μm)分别由精密定心后的0.162λ、0.118λ、0.166λ降低至0.064λ、0.040λ、0.067λ,平均MTF (@25 lp/mm)由0.31提升至0.67。结果表明,这种装调技术对红外折射式镜头系统波前补偿效果明显,可大幅提升镜头成像性能,具有重要的工程应用价值。     

三镜反射式光学系统综述（特邀）

三镜反射式光学系统由于具备同时校正球差、彗差与像散三种像差的能力,可以实现较高的光学性能,基于其反射镜数量少、装调复杂性可接受等特点,在光学成像领域有着广泛的应用。特别是离轴三镜反射式光学系统,凭借其无孔径遮拦、可实现大视场等诸多优势,在高性能光学仪器装备中占据着重要位置。文中以典型的三镜反射式光学系统发展为主线,全面介绍了多种类型的三镜反射式光学系统,涵盖同轴三反系统、两轴三反系统、离轴三反系统与无焦三反系统,讨论了其光学结构特点、结构关联与光学系统性能,并给出了设计示例,供光学设计领域研究人员共同探讨。     

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。     

动态目标模拟离轴三反光学系统的设计

以同轴三反像差理论为基础,运用仿真软件确定满足设计要求的初始结构参数,基于三镜同轴,入射光束离轴,主镜和三镜顶点相交的光学设计理念,设计出一种易于装调、精度保证的离轴三反光学系统。该系统结合数字微镜器件目标生成器为装甲车辆提供动态实时模拟目标。该光学系统的工作波段为200~1200nm,焦距为2800mm,视场为2°,入瞳直径为350mm。设计结果表明,本光学系统最大相对畸变为0.1056%,各视场的波像差均优于λ/40(主波长λ=636.3nm)。在70lp/mm下,本系统的调制传递函数(MTF)均优于0.54,接近衍射极限,成像质量好,满足无穷远动态目标模拟需求;对加工和装配进行公差分析后可知,光学系统的MTF值大于0.4。