环形孔径成像光学系统的杂散光抑制方法

环形孔径光学系统采用单一光学元件实现高质量成像,提高了系统集成度。由于环形孔径光学系统的多环带反射面紧密排列在同一基底材料表面,杂散光线在各环带反射镜之间相互串扰,严重影响成像质量。针对单片式环形孔径成像系统,提出了一种杂散光抑制方法,通过环形孔径系统杂散光分析选定特征离轴角度,并根据特征离轴角度推导了遮光罩尺寸的表达式。对离轴角为5°~85°范围内的杂散光进行光线追迹,分析了点源透过率(PST)曲线。当红外波段离轴角小于15°时,环形孔径成像系统遮光罩使PST值降低了两个数量级,而当离轴角大于15°时,杂散光PST值降低了2~4个数量级。结果表明,在实现成像系统小型化特点的前提下,设计的遮光罩结构使环形孔径成像系统具备杂散光抑制能力。

环形孔径折叠成像系统的光-数联合无热化设计(封面文章·特邀)

环形孔径折叠成像系统通过光路折叠可以实现光学系统的小型化。然而环形孔径折叠成像系统由于仅使用一块基底材料,且没有补偿镜,无法通过光学被动无热化实现宽温度范围的高质量成像。为了减小温度对成像质量影响的同时简化光学系统结构,引入波前编码的方法来设计光-数联合的环形孔径折叠成像系统。文中研究了光-数联合的环形孔径折叠成像系统设计原理,推导了遮拦比与相位掩膜板参数的关系,以实现离焦一致性。在图像解码部分,文中研究了不同权重下的点扩散函数(PSF)的图像复原效果,通过模拟退火算法构建了合成PSF模型。根据理论分析设计了光-数联合的环形孔径折叠成像系统,焦距为70 mm,系统总长为25 mm,F数为1,全视场8°。在−40~60℃范围内,高温和低温下的峰值信噪比(PSNR)比其他方法分别提高了4.7090 dB和5.0442 dB,实现了单一滤波器的图像复原。文中研究在简化红外成像光学系统的同时,采用光-数联合的方法克服了环形孔径折叠成像系统的温度限制,为宽温度范围红外系统小型化提供了新的思路。

大扫描视场飞行器共形光学系统设计

共形光学窗口外表面与飞行器轮廓相同,可以显著提升飞行器的整体性能,但在大扫描视场应用时,引入大量非对称动态像差,严重影响成像质量。针对大扫描视场的共形光学系统,提出了基于共形窗口内表面优化,以及分视场单元透镜阵列的动态像差校正方法,实现动态像差的静态化校正。在84°扫描视场范围内,对共形光学系统进行仿真验证,结果表明:该方法使共形光学系统在全扫描视场范围内的Zernike多项式系数绝对值从0~10.82λ减小到0~1λ(λ为波长),同时各通道单元透镜阵列保持固定状态。与目前已有方法相比,显著提升了大扫描视场共形光学系统的成像质量和系统稳定性,有效简化了系统结构,对实现大扫描视场、高成像质量和高稳定性的共形光学系统有重要意义。

长波红外平面计算衍射光学系统设计

提出一种平面计算衍射光学系统,分析平面衍射光学系统的像差特性,基于波前像差理论并利用Zernike多项式构建波前像差模型,通过傅里叶变换建立点扩散函数模型,结合反卷积算法处理图像,消除了轴外像差对成像的影响。设计一种波段为8~12μm、焦距为12 mm、F数为1.2的平面衍射光学系统,利用计算成像的方法将视场从1°扩大到4°,物距为4 m到无限远。结果表明,该方法效果明显,成像质量得到提升,实现了光学系统的小型化和轻量化,为光学系统的集成化提供了新思路。

含单层衍射元件的可见宽波段计算成像系统设计

为消除单层衍射元件在可见光宽波段中低的衍射效率对成像质量的影响,根据探测器的量子效率,提出了设计波长的选择方法,构建了可见光宽波段折衍混合系统受衍射效率影响的点扩散函数(PSF)模型。使用构建的PSF模型进行图像复原,提高了折衍射混合系统的图像质量。为了验证所提方法的有效性,将单层衍射光学元件引入目前已有的专利物镜系统中进行优化设计,优化后的系统中不仅光学元件的数量得到了减少,还将波段范围从486.1~656.3 nm扩展至400.0~800.0 nm。利用所提方法对波段范围扩展后的低衍射效率图像进行复原,复原后的图像质量不论在主观上还是客观上都有明显提升,这说明所提方法可用于含单层衍射元件的可见光宽波段系统设计。