一种紧凑离轴反射式多波段共用光学系统

给出了一种可用于红外热成像、激光测距(照射)及可见光电视的多波段共用离轴反射式望远光学系统,可结合快速反射镜构成复合稳定光电系统,具有结构紧凑、重量轻和无中心遮拦的特点,其中的反射镜均为二次曲面或平面,相对于常规离轴三反系统具有较好的加工和装调工艺性。

采用凝视器件的搜索跟踪系统中的扫描补偿光学技术

为了充分发挥器件的性能,采用凝视探测器件的搜索跟踪系统需要特殊的光学结构补偿搜索跟踪时产生的扫描效应。给出了物方和像方扫描补偿光路的形式和构成,分析了平行和会聚光路两种不同补偿结构的特点,论述了扫描补偿引入的光学问题以及相应解决途径,提出了扫描补偿引入的最大光学原理性误差小于1/3~1/4像素的观点。

透射式双波段红外搜索跟踪系统光学物镜

给出了一种适用于红外搜索跟踪系统的透射式双波段（中波/长波）光学物镜,两个波段的相对口径均为1/1.3,工作波段分别为3.7~4.8μm和7.5~10.5μm,视场为±1.75°。为提高光学透过率,物镜采用会聚光路分光,每个波段仅有4片透镜,其中各有2片采用了衍射光学表面,实测两个波段的光学透过率（含分光镜）均大于70%。

光学系统实现热补偿的通用条件

运用光学系统的近轴成像公式,推导出微分形式的物面位于任意位置时热补偿的通用条件,包括薄单透镜、密接薄透镜组和分离薄透镜组等不同情况。推导过程中假设物面位置不随温度发生变化,并且忽略分离薄透镜组中各组分上光线入射高度随温度的变化。利用推导的条件建立了像距的归一化温度变化率与各透镜光热膨胀系数之间的关系,指出所得到的条件具有更加普遍的意义,能够指导机械和伺服控制系统的工程设计,并且在物面位于无穷远时与目前普遍采用的热补偿条件相吻合,即光学系统的光热膨胀系数等于壳体的热膨胀系数。

衍射光学元件在红外成像系统中的应用

采用衍射光学元件除了能减小成像系统的体积和重量外 ,还具有许多传统光学元件无法比拟的优越性 ,如消色差和热补偿功能等。本文以实例阐述衍射光学元件在红外成像系统中的应用。

采用480×6元长波红外探测器的搜索光学系统设计

针对冷光栏F数为1.27的480×6元长波制冷型红外探测器,设计了焦距325mm、F数达1.35、视场为±1.05°的用于红外警戒或搜索系统的6片式光学系统,该系统光学透过率为76%,冷屏效率100%。

用于光学像移补偿的红外望远光学系统

为提高搜索效率和目标探测概率,红外搜索警戒系统越来越多地采用了焦平面成像器件.工作时必须保证成像器件具有一定的积分时间,才能达到要求的信噪比,为此必须采取像移补偿措施。常用的光学式像移补偿利用位于望远光学系统后面反射镜的反向摆动,使场景的光学图像在积分时间内与焦平面成像器件相对静止,以消除平台在连续转动过程中产生的像移或拖尾。本文给出了一种像方视场角与物方视场角具有线性关系的红外望远光学系统,系统工作波段为7.7~10.3μm,放大率为10×.该系统可用于采用焦平面探测器的搜索警戒装置,通过像移补偿反射镜或透射平板的摆动补偿平台转动时产生的像移,计算表明全视场范围内的残留像移不大于1μm。

红外热像仪扫描器光学MTF的测试

叙述并探讨用数字傅里叶分析法测量红外热像仪扫描器光学 MTF的方法 ,该方法采用热像仪调试用的靶标和反射式平行光管及热像仪实际使用的 SPRITE探测器和输出电路 ,并利用扫描器自身的扫描获得线扩展函数。采用离散傅里叶变换法进行计算 ,具有设备简单、易操作和计算快捷的特点。

部分相干光学系统最佳象面的性质讨论

在部分相干理论的基础上,分别用表观传递函数和能量分布作评价指标,计算了部分相干光学系统的最佳象面位置,并讨论了其与相干度、空间频率及象差的关系。

制作在非球面基底上的红外衍射光学元件

用金刚石车床车削的方法在锗材料上成功地加工了折射 衍射混合式红外光学透镜 ,其中的衍射面制作在非球面的基底上 ,是国内首个制作在曲面基底上的混合成像元件 .对折 衍射混合透镜和不带衍射环带的对比透镜的测试结果表明 ,衍射面加工效果良好 ,有效地减小了此单片镜系统的色差 ,明显提高了系统的成像质量 。

近紫外-可见光宽波段复消色差显微物镜设计

设计了波段300nm～500nm,放大倍率为10×,NA=0.3的近紫外-可见光显微物镜,用于观测激光照射核聚变的成像过程。该系统采用透射式结构,通过P、W设计方法和CODE-V软件的优化,实现了系统的复消色差,较好地解决了紫外光学材料种类少、折射率低带来的像差校正困难和光学系统效率不高的问题。

利用CODE V设计含有自由曲面的光学系统

由于自由曲面灵活的空间布局和设计自由度,使光学系统的结构得到了简化,像质得到了提高。本文通过设计实例详细介绍了在光学设计软件CODE V中运用用户自定义面型UDS(user defined surface)的功能和计算机动态链接库DLL(dynam ic link library)软件技术设计含有自由曲面光学系统的方法。通过利用此方法设计了球面和锥面光学系统,验证了其准确性和可靠性。并且利用此项技术设计了含有自由曲面的光学系统,使光学系统达到了质量轻、体积小的设计目标。此项技术扩充了CODE V软件的功能,有效地拓宽了CODE V计算复杂面型的能力。

大倍率红外连续变焦系统双电机控制技术研究

采用双电机联动控制变倍组与补偿组的变焦方案替代传统的曲线套筒,实现了采用全透射式结构型式,相对口径为1/4,焦距变化范围为342.76mm^13.15mm连续变焦光学镜头的机械补偿式变焦。将变倍组设计成步进模式,作匀速运动,补偿组设计成位置跟踪模式,按凸轮曲线作变速运动,采用双电机全数字伺服控制凸轮(CAM)算法,将光学设计计算的变倍镜和补偿镜位置对应关系转变为对应的脉冲数输入到CAM表中,从而确定2个不同运动速度轴之间的位置对应关系。试验结果表明:双电机控制的变倍组和补偿组位置分辨率达到0.18μm,光轴一致性水平方向达到1.9′,垂直方向达到1.3′。

红外光学系统无热化设计方法的研究

无热化设计是利用不同手段消除环境温度变化对光学系统性能的影响。针对红外光学系统,提出一种光学被动式无热化设计方法。从单个透镜出发,列出透镜组的消热差方程组,通过笛卡尔坐标系描绘出常用红外材料的消热差系数和消色差系数,使用图解方法求得红外材料的合理组合,同时得到归一化的组合光焦度分配。最后用实例说明光学被动式无热化设计的求解过程,并通过光学设计软件对结果进行分析,说明该设计结果在-40℃～+60℃温度范围内均满足消热差和像差要求。

单层与双层谐衍射元件的衍射效率对比分析

由于单层谐衍射元件只在谐振波长处能精确闪耀,随着波长偏离谐振波长,衍射效率迅速下降,导致宽波段成像质量变差。为了将谐衍射元件的应用拓展到宽波段,重点对可等效为普通单层衍射元件的双层谐衍射元件的衍射效率进行了详细的分析。理论分析得出:此种双层谐衍射元件的衍射效率在整个设计波段明显高于单层谐衍射元件的衍射效率,而且在整个设计波段的分布基本平衡。进一步以可见光波段的常用材料ZF7和QK3构成的单层和双层谐衍射元件为例,对衍射效率进行了Matlab模拟。结果表明:理论定性分析与模拟的定量结果基本一致。这为双层谐衍射元件应用于宽波段成像领域提供了有力的理论依据。

紫外-可见宽光谱显微成像光学系统的设计

介绍一个紫外-可见宽光谱显微物镜的设计过程。通过改进的PW法求解初始结构参数,确定采用两个分离的正负透镜组组成透射式光学系统,根据光学材料的色散特性,选取正透镜材料为CaF2,负透镜材料为熔石英,通过建立复消色差方程组来分配双分离透镜的光焦度,合理地对两组透镜的偏角进行分配。运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化,使系统的位置色差和二级光谱同时得到校正,实现了复消色差。仿真结果表明:系统在整个视场范围内,点列图弥散圆RMS半径值小于5,最大视场处的像散为0.058,畸变为0.04%。

超音速飞行器光学窗口气动压力载荷分析

为了提高光学窗口设计的可靠性与使用性能,对超音速飞行器进行了计算流体力学分析,得到27种飞行状态下光学窗口的气动压力载荷分布。通过有限元建模仿真,计算了窗口在各压力载荷状态下的应力和变形。通过分析变形对光学成像的影响可知,ZnS平板的两个变形面在光学上具有相互补偿的作用,因此,压力载荷下的变形对光学成像的影响可以忽略。为了使窗口设计满足使用强度要求,在最严酷的一种飞行状态下,分析了不同厚度ZnS窗口玻璃的变形和应力,当平板厚度为10mm时,能够在结构强度和质量之间达到设计的平衡。此分析结果对高速载体的光学窗口设计具有一定的指导作用。

基于Isight的平面反射镜轻量优化设计

针对大口径反射镜的设计,提出一种新的优化思路,用Isight集成SolidWorks和ANSYS,用实验设计、优化结合的方式得到了满足约束的最优尺寸,同时得到约束为反射镜水平时自重和高低温下的变形,以及一阶固有频率,目标为反射镜的质量最小化,轻量化率达51%。将反射镜面的变形节点拟合成Zernike多项式,导入到CodeV中,得到了反射镜受温度和重力共同作用下的光学系统点列斑,从而反映出变形镜面对光学像质的影响。

头盔显示器自由曲面光学组件的优化设计

根据设计要求计算了非共轴球面光学系统的初始结构,选定泽尼克多项式为自由曲面面型,利用正交泽尼克多项式与像差的关系,调整曲面参数校正系统的像差,运用CODE V进行系统优化。通过设计实例对比了直接优化和分步优化方法,由对比结果可知,分步优化更适用于自由曲面光学组件的设计。仿真结果表明:系统在整个视场范围内,点列斑直径小于27μm,网格畸变的最大值为-7.15%,30lp/mm处的MTF大于0.197。

光学系统折射率温度效应的模拟计算

提出一种计算折射率温度效应的新方案。该方案通过拟合有限元热分析得到离散节点温度,在透镜中建立连续的温度场。在计算CODE V光线追迹时,自编子程序根据追迹点的温度和输入数据,实时计算并返回相对折射率及其梯度信息,使折射率温度效应导致的光程变化的计算更为准确。在计算时可以把波长、大气压、折射率温度系数等作为自定义参量,输入到子程序中,使相对折射率的计算更为灵活。最后对一个红外光学系统进行了计算误差分析,得到了像质的变化情况,验证了该方案的可行性。