致冷型二次成像离轴三反射镜光学系统设计

研究并设计了一种适合于致冷成像的离轴三反射镜光学系统.设计了二次成像的反射系统结构,将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,有效地减小了第一反射镜的口径.通过调整每个反射镜的偏心与倾斜,实现系统的无遮拦,使用高次非球面校正像差,保证了系统的成像质量.设计的致冷型红外系统工作波段为3~5μm,焦距为500mm,F数为2,视场为10°×0.5°.该系统各视场的调制传递函数在奈奎斯特频率处(20lp/mm)都在0.5以上,并具有紧凑的结构.     

离轴三反式光学镜头的猫眼效应激光反射特性

为研究离轴三反式光学镜头所特有的猫眼效应激光反射特性,采用ZEMAX光学设计软件,建立了离轴三反式光学镜头模型,利用物理光学传输的方法,仿真分析了其猫眼效应特性,得出了其反射光特性参数及其可用入射角范围,并将其特性规律与同轴式光学镜头进行了比较.结果表明,与同轴式光学镜头相比,离轴三反式光学镜头的猫眼效应激光反射特性的规律性较差,可用入射角范围不对称,但其猫眼效应的复杂性,使得反射光携带有更多的可用信息,通过后续信息处理可对该类光学目标进行参数识别.     

长焦距离轴三反射式光学系统设计

介绍了一种长焦距离轴三反射式光学系统的设计过程。在同轴三反射式光学系统基础上,将第一面镜设置成光阑,通过对其适当的离轴、倾斜,实现无中心遮拦的离轴反射式光学系统设计。给出了同轴系统初始结构的求解方程,分析了同轴系统存在的问题。以一个长焦距离轴三反射式光学系统作为设计实例,通过镜面离轴、倾斜和优化,得到了成像质量良好的设计结果。     

多路分光星载激光雷达接收光学系统设计

设计了大口径星载激光雷达望远接收光学系统.采用离轴三反作为望远物镜,其初始结构通过计算获得,有效焦距为1000 mm,F数为1,离轴优化后各视场点列图RMS半径最大仅为18.691μm,符合设计要求.基于叶绿素获取等多种应用的需求,设计其后的准直系统焦距为50 mm,光束口径为48 mm,经由7路分光光路接收并分别成像于各自的单元探测器上.每支光路焦面接收的光斑均不超过93.992μm,小于单元探测器的接收面元1 mm×1 mm,具有较好的光能接收率.整套光学系统三维尺寸为1000 mm×1150 mm×1300 mm,其布局合理,空间利用率高,对星载激光雷达的研制具有一定的参考价值.     

宽波段非制冷红外变焦光学系统设计

面向有毒有害气体探测需求,提出采用双色宽波段高灵敏度红外气体探测方法,并针对宽波段变焦色差校正难题,提出一种基于复消色差和机械正组补偿理论的宽波段红外变焦光学系统设计方法,设计了一种宽波段非制冷红外变焦光学系统。系统焦距25～75 mm,工作波长3～12μm,F数为1.8,适配640×512分辨率的非制冷双色红外焦平面探测器,像素大小17μm,变焦过程中系统总长保持160 mm不变。设计结果表明,系统在全焦段各视场调制传递函数在30 lp/mm处均接近衍射极限,成像质量良好,满足设计要求。系统具有结构紧凑、波段范围宽等优点。     

光通信接收用200mm口径紫外光学系统设计

在阐述紫外光通信系统优势的基础上,提出了紫外光通信接收机光学系统要求。通过光学系统结构选型分析,确定采用离轴三反的结构形式。具体设计了一个口径为200mm的紫外光通信接收用光学系统,该系统焦距为1 000mm,其中主镜、次镜均采用非球面。用Zemax软件进一步优化后,结果表明该系统在240～280nm工作波段范围内,50线对/mm处的MTF均达到0.4以上,满足实际工作要求。     

基于动态电子目标模拟离轴的光学系统设计

系统硬件由数据接收、数据缓冲和时序驱动、MOS电阻阵列结构组成,实现显示动态电子目标模拟图像。系统软件由以太网数据传输模块、MOS电阻阵列模块、D/A模块和控制模块组成,实现解析数据包,得到数据图像,完成被测光电设备的定向精度测试。     

小视场红外探头标定用离轴反射式平行光管设计

基于红外探头视场的标定原理和技术,设计了一种技术指标为焦距f=800mm、有效口径D=160mm、工作波段14～16μm、视场0.1°、准直精度30"的平行光管,光管采用离轴反射式系统,该系统由离轴抛物面反射镜和平面反射镜组成,其具有传输能量大、无色差、中心无遮拦的特点。设计结果表明,成像质量良好,满足系统的技术要求。     

四片式变焦距长波红外光学系统设计

针对320×240焦平面阵列探测器（像元大小25μm×25μm）,设计了一个变倍比为3倍的长波红外连续变焦光学系统,其工作波段为8~12μm,从短焦到长焦位置的F数从0.98到0.85逐渐减小,可实现焦距在45~135mm范围内连续变焦。该系统由4组元组成,每个组元仅有一片透镜;共8个面,其中5个为非球面、1个为衍射面。使用ZEMAX光学设计软件进行像质评价和优化后,在空间频率20lp/mm处,系统在整个变焦范围内MTF接近衍射极限。     

非制冷中波红外光学系统精简无热化设计

红外光学系统相比于可见光光学系统,其成像质量受温度波动影响很大。基于光学被动式无热化原理,分析红外系统各部分光学参量受温度变化的影响因子,设计了一个工作波段3~5μm,焦距120mm,F#=2的红外光学系统,选用分辨率为384pixel×288pixel、像元大小为25μm的非制冷型红外探测器。该系统采用四片式的结构形式且全部为球面光学元件,采用硅和锗两种常见的中波红外材料满足了消热差和消色差的要求,故具有较高的加工可行性和较低的生产成本,在工作温度范围-40℃~60℃之间都能保持优良像质,并且满足非制冷型中波红外系统的使用需求。     

Optical Design and Stray Light Analysis of the Space Infrared Optical System

This article describes a novel configuration design for a re-imaging off-axis catadioptric space infrared optical system,and in order to satisfy the signal noise ratio requirements of the system,the stray light of the system is necessary to analyze and restrain. The optical system with a focal length of 1 200 mm,an entrance pupil diameter of 600 mm,an F-number of 2,a field of view of 3°× 0. 15°,a working wave band of 8 μm-10 μm,and the image quality of the optical system almost approach to diffraction limits in all field of view.Then the mathematical models of stray light are built,and the suppressive structure is established to eliminate the effect of stray light. Finally,TraceP ro is used to analyze and simulate stray light with and without the suppressive structure,and also get the results of the PST curves. The results indicate that appropriate optical system and suppressive structure can highly reduce the stray light of the space infrared optical system.     

基于波前编码技术红外光学系统无热化研究

波前编码技术是将光学成像与数字图像处理技术相结合,在系统的光瞳处通过添加特殊设计的相位板,对入射光波波前进行重新调制,再经过解码得到清晰的图像,使系统对离焦不敏感,与红外无热化的理念相同。文中比较了原光学系统和采用波前编码系统在不同环境温度下的调制传递函数（MTF）,使用Matlab模拟中间光学部分成像并滤波。结果表明：将波前编码技术应用到红外光学系统当中,可以使系统对由环境温度变化引起的热离焦不敏感,达到无热化的目的。     

红外投影系统光学被动无热化设计

针对红外成像系统的检测和评估需求,基于光学被动消热差原理,设计了一套用于中波红外仿真系统的投影系统。讨论了红外仿真系统所用投影光学系统的设计思想和设计方法,并对最终的成像效果进行了分析。该系统焦距为250mm,F/2.5,视场角为±2°,总系统长度500mm。依据二次成像系统的设计方法,实现了100%冷光阑效率,且其调制传递函数在17lp/mm处接近于衍射极限,能在-20℃~60℃范围内无需调焦便可保证成像的稳定性,具有分辨率高、均匀性好、可加工性强等优点。     

红外双层衍射光学元件衍射效率研究

红外衍射光学系统中衍射元件的设计波长直接影响光学系统的衍射效率.介绍了常见的三种红外材料,利用整个波段(3~14μm)衍射效率的平均值作为评价红外双波段衍射效率的因子,分别模拟了三种不同材料组合下,561种设计波长组合的平均衍射效率.结果得出:三种材料的不同组合,在与之相对应的设计波长下,其衍射效率平均值均可达到96%以上.设计了含有双层衍射元件的中远红外光学系统:入瞳直径EPD=33mm,视场2ω=9.2°,焦距f′=50mm,中波红外的传递函数(MTF)在40lp/mm所有视场达到0.6,长波红外在40lp/mm所有视场达到0.2.     

折射式红外变焦光学系统内部杂光分析

针对折射式红外变焦光学系统内部的杂散辐射,设计了焦距240-60mm、系统F/#为4、视场11.96°-2.84°、工作波段为3.7-4.8μm的制冷型中波红外变焦光学系统。该系统为二次成像结构,并且有100%的冷光阑效率。利用杂散光分析软件Light Tools,建立光学机械结构模型并判断出关键表面,分析得到探测器像面接受的热辐射,根据信噪比推断出目标的最小辐亮度。采用光路倒置的方式分析光路中各光学表面产生的冷反射大小,分析了光学系统在不同焦距时的冷反射效应,结果表明该光学系统具有较好冷反射抑制效果。