痕量气体掩星探测高光谱成像光谱仪光学系统设计

痕量气体作为大气的重要成份,对地球的生态起着重要作用。为了实现宽波段、高光谱全天时连续测量,本文设计了一款在掩星探测模式下工作的高光谱成像光谱仪。该系统为共狭缝的双通道结构,紫外-可见光通道采用单凹面光栅结构、红外通道采用利特罗与浸没光栅结合结构,有效地减小了体积。利用软件对光学结构进行优化,优化结果表明:光谱仪在250~952 nm波段范围内工作,其中紫外-可见光通道工作波段为250~675 nm、光谱分辨率优于1 nm、MTF在奈奎斯特频率为20 lp/mm处均高于0.58、全视场各波长处RMS值均小于21μm;红外通道工作波段为756~952 nm、光谱分辨率优于0.2 nm、MTF在奈奎斯特频率为20 lp/mm处均高于0.76、全视场各波长处RMS值均小于6μm,均满足设计要求。结果表明该高光谱成像光谱仪系统可以实现对痕量气体的掩星探测。

一次性硬膜外腔内窥镜光学系统设计

为了获得硬膜外腔的大视场清晰影像,利用Q-type非球面设计了工作波段为可见光,视场角为90°,F数为4,接收器为0.14 cm(1/18 inch)CMOS传感器的一次性硬膜外腔内窥镜光学系统。系统由3片塑料透镜和1片盖玻片组成,其中第3片透镜采用Q-type非球面,结构简单、紧凑、成本低。像质评价结果表明:在奈奎斯特频率200 lp/mm处各视场的调制传递函数均大于0.27,接近衍射极限;各视场均方根半径都小于像元尺寸2.5μm,均在艾里斑范围内;最大剩余畸变小于20%,满足高像质要求。最后,对系统的鬼像进行了分析与规避,结果表明,光瞳鬼像形成的光斑能量弥散,对像面照度均匀性影响较小;焦点鬼像形成的光斑尺寸远大于主像点列图,对成像质量影响较小,满足成像要求。

红外双波段双层衍射定焦光学系统设计

通过对多层衍射光学元件在中、长波红外波段的设计分析与计算,设计了一种焦距为200 mm的红外光学系统,在中波红外和长波红外两个波段的透过率均大于80%,成像效果良好并且满足无热化设计要求。其采用了双层衍射技术,选用锗、硒化锌和硫化锌等材料,高效率地实现了衍射目的,提升了两个波段的光学透过率。采用了二次成像的光学系统结构,实现了光学小口径设计,其光学传递函数能够在-55℃至+71℃环境下实现无热化成像的要求,达到了设计目的。

长波红外大孔径长焦距无热化光学系统设计

对于长波红外长焦距光学系统,大孔径能使系统具有更好的成像亮度,但也带来了孔径边缘像差较大且难以校正的问题。利用折反射式结构减少光学系统总长,采用两块反射镜结构作为基础,在其后搭配一组校正折射透镜构成光学系统,并应用光焦度分配、消热差及消色差条件,设计出大孔径、长焦距的长波红外无热化光学系统。该光学系统工作波段为8~12μm,焦距为800 mm,全视场角为0.6°,F数为2.5,遮拦比为0.2,光学系统总长为344.62 mm;在-40~60℃工作温度范围内,全视场角的调制传递函数值在奈奎斯特频率20 lp/mm处均大于0.25。设计的长波红外大孔径长焦距光学系统由2块反射镜和4块折射透镜组成,系统结构紧凑,成像性能稳定,可为类似此类光学系统设计提供参考。

大孔径太赫兹波成像光学系统设计

太赫兹波具有高穿透性、低能性及指纹谱性等特征,被广泛应用于探测领域,因此,设计太赫兹波成像光学系统具有重要的意义和广泛的应用前景。首先,以四块透镜构成的天塞物镜为参考结构,应用近轴光学系统像差理论构建系统像差平衡方程,给出了系统初始结构参数求解函数和方法,再结合光学设计软件进一步校正系统像差,最终设计了一种用于太赫兹波探测的大孔径光学成像系统。该光学系统由4块同轴折射透镜构成,焦距为70 mm,F数为1.4,全视场角为8°,在奈奎斯特频率10 lp/mm处全视场角范围内的调制传递函数(MTF)值均大于0.32,各视场内的弥散斑均方根(RMS)半径均小于艾里斑半径。最后对系统各种公差进行分析和讨论。设计结果表明,本文设计的太赫兹波探测光学成像系统具有孔径大、结构简单且紧凑、成像质量较好且加工性易于实现等特点,满足设计要求,它在太赫兹波段高分辨率探测领域具有重要应用价值。

星载红外双谱段高光谱成像仪光学系统设计

针对国内外星载红外高光谱成像数据空白和迫切应用需求,本文提出了星载红外双谱段高光谱成像技术方案,实现高空间分辨率、高光谱分辨率和高温度灵敏度成像。工作谱段覆盖中波红外(3~5μm)和长波红外(8~12.5μm),中波和长波红外谱段的光谱分辨率分别为50 nm和100 nm,空间分辨率为60 m,成像幅宽为60 km,噪声等效温差优于0.2 K。分析确定了红外高光谱成像仪的光学系统技术指标,设计了望远光学系统、光谱成像光学系统和高光谱成像仪整体光学系统。望远光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案,实现了大相对孔径像方远心和低畸变设计,相对畸变小于0.135%;光谱成像光学系统采用Wynne-Offner结构形式,实现了高成像质量、轻小型化设计,不同波长的传函均接近衍射极限。设计结果表明,星载红外双谱段高光谱成像仪的光学系统成像质量优良,结构布局紧凑合理,具有较强的工程应用价值。

激光测角装置光学系统设计与验证

首先对激光测角原理进行了分析介绍,结合激光测角装置大瞬时视场、大线性区范围和高测角精度的要求,通过研究和分析激光测角装置光学系统像差控制方法,针对特定激光测角装置光学设计要求,通过对光学系统设计参数的分解,利用光学设计软件设计了一套激光测角装置光学系统,针对设计结果提出全面的设计结果评价方法,分别对光斑直径、光斑圆规则度、畸变、能量分布均匀性等设计结果参数进行评价,并利用设计的验证方法对测角范围、线性区范围和测角精度进行仿真验证,仿真验证结果表明设计光学系统测角范围可达±18°,线性区范围可达±7°,测角精度小于3 mrad,满足测角装置对测角范围、线性区范围和测角精度的要求。

光学系统设计实践教学研究

新工科建设对工程实践教育提出了更高的要求,在以产出为导向的工程认证理念下,结合当前工程教育的现状,以江苏大学光学系统设计为例,强调厚基础、重实践、严要求的办学理念,探索了“理论教学为基础、软件设计为支撑,实践实训为重点”的办学模式,实现“理论与实践结合,软件与硬件融合,高校与企业协同”的理论-设计-实践三位一体教学的新思路和新模式。

曲面多探头内窥镜光学系统设计

随着微创手术在医学领域的广泛应用,对内窥镜技术提出了更高要求。目前,由于内窥镜的成像视场小,因此对宽视场内窥镜的需求越来越迫切。设计一种曲面多探头光学系统,依据曲面复眼光学原理设计单个探头镜头,并通过阵列方式实现宽视场。结合转像系统,使曲面多探头成平面像,实现测试。根据成像要求,设计的光学系统全视场为135°,在空间频率为166 lp/mm处全视场MTF值大于0.5,满足使用要求。公差分析结果表明该设计结果具有较好的鲁棒性,易于加工装调,该技术成果在内窥镜测试领域具有广阔的应用前景。

紧凑式离轴三反光学系统设计

为解决地球遥感观测和星载激光雷达探测等领域对空间光学系统尺寸小型化、结构紧凑和高分辨率的要求,本文设计了一种基于Zernike自由曲面的紧凑式离轴三反系统,同时满足了长焦距、小畸变和宽工作波段的要求。该系统采用非对称、近圆形布局的离轴三反光学系统,并在第三反射镜采用了自由曲面的设计,通过在Zemax软件中设置适当的优化目标和方法,对光学系统进行设计优化。最终该系统有效焦距为800 mm,F数为4,视场角为12°×6°,畸变小于1%,工作波段覆盖可见光及近/中红外波段,在400 km轨道高度实现了1.5 m的地元分辨率(可见光)和2.5 m的地元分辨率(近红外),地面幅宽为80 km×40 km。并进行了系统像差、点列图、MTF等性能指标评估的分析与验证,结果表明该设计方案带来了高分辨率并提升了信息获取能力。

全天候全景监控摄像用光学系统设计

设计了一款能实现全天候清晰成像的全景监控摄像光学系统。采用全景环带结构形式,该结构分为摄像头部单元和中继透镜单元两部分,摄像头部单元完成全视场目标搜索,中继透镜单元将头部单元所成的中间虚像进行二次成像会聚到探测器上。设计时采用多重结构优化方式,实现可见光及近红外双波段成像。该光学系统视场为360°×(40°~100°),焦距为-2.75 mm,F数为3.28。设计结果表明:系统的MTF(modulation transfer function)值在全视场处接近衍射极限,各个视场的弥散斑半径均小于所选CCD像元尺寸,畸变小于2%,且日夜离焦量小于0.002 mm,该设计结果可满足全天候全景监控需求。

机器视觉检测的低畸变物方远心光学系统设计

为了提高机器视觉检测的测量精度和测量效率,有效解决动态测量中调焦不准所导致的测量误差问题,以高斯光学和远心光路设计理论为基础,设计出一款物方远心物镜。该物镜焦距为135 mm、物方线视场为45.18 mm、相对孔径为1:8、物方数值孔径为0.011、放大倍率为-0.177、工作距离为102.41 mm、系统总长为145.09 mm。采用光学理论推导以及前后组组合的设计思路,得到系统的初始结构,再进行像差优化。系统优化后的结果显示:系统的调制传递函数(modulation transfer function,MTF)在Nyquist频率70 lp·mm^(-1)处优于0.4,成像畸变低于0.04%,物方远心度低于0.05°。表明该系统结构紧凑,测量精度高,畸变低,成像质量良好,易于装配实现,并且能很好地应用于机器视觉检测领域。

用于单筒双目微光夜视仪的折叠式光学系统设计

设计了一种折叠式光学系统来缩短微光夜视仪轴向尺寸,提升头戴式微光夜视仪佩戴舒适性。首先给出总体设计,包括折反式物镜和长工作距离、双通道目镜系统设计,之后通过理论计算获得物镜和目镜的指标参数,最后选用符合要求的初始结构,采用软件对折叠式光学系统进行优化设计。采用折叠式光学系统的微光夜视仪,与传统直视型夜视仪相比轴向长度由110 mm减少到70 mm,更接近佩戴者头部,可以有效提升佩戴舒适度。

“自由曲面光学系统设计技术”专栏征稿通知

随着科学技术的发展,人们对光学系统的性能要求越来越高。受限于轴旋转对称的面型约束,传统球面和非球面已逐渐无法满足现代光学系统高性能和小型化的发展要求。光学自由曲面是一类非旋转/拉伸对称面型的总称,构成十分丰富。近些年来,得益于光学系统设计理论、计算机运算能力、光学曲面制造与检测技术的快速发展,这一类被提出近一个世纪、具有强大像差校正能力、可为光学系统设计优化提供丰富自由度的光学自由曲面,终于从梦想走向现实,并在诸多成像系统与非成像系统中有着越来越多的重要应用,被誉为21世纪光学领域的一次“变革”。

“自由曲面光学系统设计技术”专栏征稿通知

随着科学技术的发展,人们对光学系统的性能要求越来越高。受限于轴旋转对称的面型约束,传统球面和非球面已逐渐无法满足现代光学系统高性能和小型化的发展要求。光学自由曲面是一类非旋转/拉伸对称面型的总称,构成十分丰富。近些年来,得益于光学系统设计理论、计算机运算能力、光学曲面制造与检测技术的快速发展,这一类被提出近一个世纪、具有强大像差校正能力、可为光学系统设计优化提供丰富自由度的光学自由曲面,终于从梦想走向现实,并在诸多成像系统与非成像系统中有着越来越多的重要应用,被誉为21世纪光学领域的一次“变革”。

“自由曲面光学系统设计技术”专栏征稿通知

随着科学技术的发展,人们对光学系统的性能要求越来越高。受限于轴旋转对称的面型约束,传统球面和非球面已逐渐无法满足现代光学系统高性能和小型化的发展要求。光学自由曲面是一类非旋转/拉伸对称面型的总称,构成十分丰富。近些年来,得益于光学系统设计理论、计算机运算能力、光学曲面制造与检测技术的快速发展,这一类被提出近一个世纪、具有强大像差校正能力、可为光学系统设计优化提供丰富自由度的光学自由曲面,终于从梦想走向现实,并在诸多成像系统与非成像系统中有着越来越多的重要应用,被誉为21世纪光学领域的一次“变革”。

“自由曲面光学系统设计技术”专栏 征稿通知

随着科学技术的发展,人们对光学系统的性能要求越来越高。受限于轴旋转对称的面型约束,传统球面和非球面已逐渐无法满足现代光学系统高性能和小型化的发展要求。光学自由曲面是一类非旋转/拉伸对称面型的总称,构成十分丰富。近些年来,得益于光学系统设计理论、计算机运算能力光学曲面制造与检测技术的快速发展,这一类被提出近一个世纪、具有强大像差校正能力、可为光学系统设计优化提供丰富自由度的光学自由曲面,终于从梦想走向现实,并在诸多成像系统与非成像系统中有着越来越多的重要应用,被誉为21世纪光学领域的一次“变革”。

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。

大视场大相对孔径长波红外扫描光学系统设计

采用288×4线阵探测器及二次成像方式设计了一种工作于7.5～10.5μm的大视场大相对孔径长波红外扫描型光学系统,系统凝视视场角为28°×21°,采用摆镜同楔形镜扫描扩展后系统视场角为78°×57°,该系统具有大相对孔径、F数为1.67、高成像质量等特点。由于长波红外可用材料有限,设计中采用锗材料和硒化锌材料校正色差,引入非球面校正系统球差,系统设计结果显示其成像质量接近衍射蓟县,色差矫正良好,在空间频率为20 lp/mm处,调制传递函数(MTF)均在0.3以上,能量集中度大于70%。

激光探测告警光学系统设计

为满足激光探测告警光学系统对大视场和光学增益的要求，提出了宽视场有增益光学系统。该系统工作波长范围1．06～1．54μm，全视场角60°，最大口径28mm，PIN光电探测器光敏面直径2mm。物镜采用二片式反远距结构，增大了视场和后工作距离。弯月型负透镜在前，具有平衡像差和棱镜的偏向作用；物镜后放置高折射率标准超半球型浸没透镜，满足小光敏面探测器接收。分析结果表明，系统像高0．99mm，光学增益达15．33，结构简单，可有效降低激光辐射源功率、增强探测距离。