基于连续变焦的大口径长焦距的探测成像一体化光学系统设计

为实现空间目标的探测与精确识别,设计了一种基于连续变焦结构兼顾大孔径和长焦距的探测成像一体化光学系统,实现了短焦大视场探测,长焦小视场成像的目的。系统采用里奇-克列基昂(RC)结构加校正镜与变焦结构通过光瞳匹配进行结合的方式,使用两片反射镜压缩光路,系统工作于450~850 nm的光谱范围内,焦距为700~3500 mm;探测端焦距为700 mm,F数为2.5,视场角为0.5°×0.5°;成像端焦距为1400~3500 mm,F数为5~12.5,视场角为0.18°×0.18°。该系统具有探测能力强、成像质量佳、系统总长短、变焦凸轮曲线升角小等优点。

新型离轴反射式变焦光学系统设计

介绍了一种基于初级像差理论和矢量像差理论的机械补偿式新型离轴三反变焦系统的设计。提出了反射变焦系统初始结构的确定方法,对初级像差方程进行了约束优化,得到了满足要求的部分共轴初始结构参数。指出了利用矢量像差理论进行离轴反射变焦系统设计的必要性,提出了弥补共轴系统不足的离轴反射变焦光学系统的设计方法,分析了相应的去除遮拦、矫正像差的设计理论,并结合具体的设计指标,采用CODEV光学设计软件,设计出符合系统指标要求的离轴三反变焦光学系统,并对其进行了像质评价。结果表明,成像质量良好,满足总技术指标的要求。

连续变焦验光光学系统和便携式主观验光仪的原理和应用(下)

(续上期)笔者自主研发出了一种能够满足插片验光中试镜片工作条件的连续变焦验光光学系统,用该系统制成的便携式主观验光仪,结构简单、验光快速、结果准确,只需插片验光再进行少许调整或者不用调整,即可获得最终配镜处方。本文分为上下两个部分进行阐述,上篇主要探讨了系统设计原理和结构(详见《中国眼镜科技杂志》2024年4月刊),下篇详细描述仪器验光方法及其功能优势。

连续变焦验光光学系统和便携式主观验光仪的原理与应用(上)

验光仪是眼科疾病治疗及屈光度数检查的重要仪器之一,能够提供可靠的测量结果,为从业者提供重要的参考数据。笔者自主研发出了一种能够满足插片验光中试镜片正常试戴的连续变焦验光光学系统,用该系统制成的便携式主观验光仪,结构简单、验光快速、结果准确,只需插片验光再进行少许调整或者不用调整,即可获得最终配镜处方。本文分为上中下三个部分,上篇主要探讨系统设计原理和结构,中篇将详细描述仪器验光和参数设置方法,下篇将阐述仪器功能优势及应用前景。

二维大视场离轴反射式光学系统设计

宽视场光学成像系统可以增大光学遥感器观测范围、提高探测效率。近年来,基于自由曲面的光学系统设计和制造取得了重大进展,为设计大视场、大相对孔径、高分辨率、高成像质量、无遮挡离轴反射系统提供了可能性。首先,分析了大视场离轴反射系统的像差特性,指出当不断增加系统视场角,尤其是子午方向视场角时,与视场相关的非对称高级像差量将剧烈增加;像场连续性要求更加凸显。接着,提出了一种二维大视场长焦距离轴光学系统设计方法:在常规光学系统初始结构基础上,采用多重结构形式,使子午方向视场角离散化,光学系统特定曲面分解为两个子曲面;并构建系统约束条件,通过约束系统外形尺寸、优化系统结构形式进而完成系统优化设计。最后,基于提出的方法,设计了一款焦距为1000 mm,像方F数为10,视场角为40°×16°的自由曲面离轴四反光学系统。设计结果表明:该系统全视场范围内成像质量较好,50 lp/mm的特征频率下,400~750 nm可见光波段内光学调制传递函数优于0.26,证明该方法切实有效。

利用镜面形变实现共轴折反射式变焦光学系统设计

在光学系统中加入2个或多个可变光学元件,保持光学元件位置不变,通过微调装置改变这些可变光学元件的焦距使得整个光学系统的有效焦距发生变化。基于该设计思想,结合卡塞格林(Cassegrain)反射式望远镜结构模式,使用ZEMAX光学设计软件设计了焦距为1 600 mm～800 mm,视场0.6°～1.2°的变焦系统,整个系统由2个可变形反射面、1个平面反射面和1个透镜组成,主要通过主镜和次镜面型曲率(可变形镜DMs,Deformable Mirrors)以及入瞳直径的变化实现系统变焦。设计结果表明:系统在空间频率16 lp/mm处调制传递函数大于0.75,最大均方根弥散斑半径均小于探测元尺寸,满足成像要求。

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。

防辐射长波红外连续变焦光学系统设计

为解决在强辐射环境中使用红外热像仪时由辐射导致其性能退化迅速的技术问题,基于机械正组补偿式连续变焦结构形式,通过在后固定组中引入反射镜来形成折转式光学系统,避免后端探测器直面前方辐射射线。设计了一种工作波段为8~12μm、F数为1.2、焦距为25~90 mm的非制冷红外连续变焦光学系统。结果表明,该系统结构合理、成像良好,在探测器对应的特征频率421p/mm处的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)值大于0.2,满足应用需求。加工装调后,经实际成像测试,验证了设计的准确性。

新型离轴反射变焦距光学系统的多视场检测方法

基于对离轴反射变焦距光学系统进行计算机辅助装调研究,需要检测离轴反射变焦距系统各个视场的波像差,除零度视场外,获得包括其他视场的波像差有助于提高计算机辅助装调的准确性,但是目前已有的波像差检测方法往往只能获得系统零度视场的波像差.本文针对这个难题提出了一种检测离轴反射变焦距光学系统各个视场波像差的方法,并应用于离轴三反变焦距光学系统的各视场波像差仿真检测.该方法在传统自准直干涉法的基础上进行改进,关键在于采用变形镜代替扫描的平面镜,并采用夏克-哈特曼波前传感器代替干涉仪,配合精确标定的激光器光源阵列,可以实现对离轴三反变焦距光学系统的多视场波像差同时检测.由理论分析和仿真模拟得出,该系统在视场（0°,3°）,（0°,4.2°）,（0°,5.5°）,（0°,7°）,（0°,9.8°）,（0°,14°）处经过变形镜补偿后的剩余波像差的RMS值分别为0.00039λ,0.00075λ,0.0024λ,0.00017λ,0.00053λ,0.0057λ,分析仿真结果表明此检测方案是可行的,且适用于离轴反射变焦距系统的计算机辅助装调技术的研究.

宽谱段、动态局部高分辨离轴主动反射变焦系统

为了实现无遮拦、宽谱段、动态的局部高分辨成像,设计了一种局部高分辨率的离轴主动反射变焦系统。该系统将离轴主动反射式变焦理论和局部动态高分辨率成像理论相结合,实现了宽谱段范围内不同焦距处的动态局部高分辨成像。采用曲率半径可变的变形镜实现变焦,避免了传统机械变焦中复杂的机械运动控制,减轻了系统体积和重量并有效地保证了系统的宽谱段和大视场;通过对变形镜面形的控制,在不同焦距处实现了全视场内任意感兴趣区域的局部高分辨成像,降低了数据传输量;而采用无色差的反射式系统则克服了传统透射式及折反射式系统只能实现单色局部高分辨成像的缺点。经过优化设计,系统在可见光范围内成像,焦距f′为75 mm（视场角FOV为x：0°~0.5°,y：3°~10°）~150mm（FOV为x：0°~0.5°,y：1.7°~5°）,F/#为7~14。理论和仿真分析表明,系统在各焦距处感兴趣区域内的成像质量均可达到衍射极限,实现了全视场内任意区域动态局部高分辨的成像效果。

30×中波红外连续变焦光学系统设计

基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了30×中波红外大倍率连续变焦光学系统。详细介绍了连续变焦光学系统的选型及其初始结构的计算方法。系统采用硅和锗两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差,实现了30～900mm的连续变焦,F数为4,工作波段为3.7～4.8μm,满足100%冷光阑效率,在空间频率为16 lp/mm处,系统MTF值大于0.5。系统具有变倍比大,结构紧凑,光学总长短和全焦距范围内像质好,分辨率高等优点,满足设计要求。

大面阵中波红外连续变焦光学系统设计

针对制冷式大面阵640×512凝视焦平面阵列探测器,设计了一套中波红外连续变焦光学系统。该系统由变焦系统和二次成像系统构成,包括7片透镜和2个反射镜组成的折叠光路。首先,根据变焦原理和专业光学设计软件给出了系统结构及其参数。然后,分析了系统的像质和冷反射效应。最后,验证了系统的性能指标。结果表明:该系统可以实现50～500mm的连续变焦,变焦过程中目标景物始终清晰可见;系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35,全视场畸变小于2%,无冷反射现象;具有分辨率高、热灵敏度高、像质好、变焦轨迹平滑等特点,基本满足设计要求。

新型离轴三反射光学系统设计

对比反射系统中双反射系统和三反射系统各自的优缺点,提出一种新型的无遮拦两镜三反射光学系统。与现在常用的离轴三反射光学系统相比,该系统最大的优势是只用了两片非球面反射镜,减小了加工成本,降低了加工难度。分析了该种系统的具体设计步骤,设计了一个焦距为500mm、视场为1×0.1°、相对口径为F/5、系统筒长为125mm的光学系统,像元尺寸选取10。由系统MTF曲线和点列图可以看出,成像质量接近衍射极限,可以为目前航天相机光学系统设计提供参考。

长波红外两档5倍变焦光学系统设计

与连续变焦光学系统相比,两档变焦光学系统具有结构简单、装调容易、透射比高等优点。针对320×240非制冷焦平面阵列探测器,设计了一个长波红外两档变焦光学系统,系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入两片透镜实现宽视场,宽视场时全视场角为31.4°,可用于跟踪和搜索目标;窄视场时全视场角为6.44°,可用于捕获和观察目标。通过引入二元面和非球面,大大提高了成像质量,在空间频率11 lp/mm处,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量。

1.06μm脉冲激光高倍率变焦的扩束发射光学系统设计

远距离激光主动探测体制对扩束发射光学系统的扩束能力和跟踪适应性能提出了较高的要求。针对1.06μmYAG调Q脉冲激光扩束发射光学系统进行了具体的分析设计,采用一级折射变焦式和二级离轴反射式相结合的两级扩束系统,可将输出激光束最小发散角压缩到近0.1mrad,输出光束最大宽度达到130 mm以上,并且在满足一定准直性的基础上,实现了大约1.5～50倍扩束比的高倍率变焦范围,使系统能够满足扫描搜索以及适应距离的远近变化来进行跟踪探测的要求。

大相对孔径长波连续变焦红外光学系统设计

提出一种大相对孔径长波连续变焦红外光学系统的设计方法,利用变焦原理和光学设计软件得到系统结构及其参数。该光学系统在变焦过程中相对孔径可变,F数最小可达0.85。系统主要光学参数F/#为0.85～1,变倍比为4.5∶1,工作波长为8～12μm,采用384×288元非制冷焦平面探测器。具有分辨率高、像质好、能量利用率高、变焦轨迹平滑等特点,满足工程设计要求。

变焦扩束系统的光学设计

利用几何光学理论 ,详细分析变焦扩束系统的两种结构 ,并结合实例 。

离轴反射式光学系统设计

提出通过光瞳和视场离轴,实现无中心遮拦的离轴反射式光学系统设计方法。在同轴三反射光学系统基础上,将光瞳和视场适当离轴,实现镜间遮拦的消除。分主镜或次镜为系统孔径光阑两种情况,导出同轴三反射光学系统初级像差公式和初始结构参数计算公式。由三反射系统成像性质,进一步总结无焦光路条件。根据设计理论计算离轴三反射系统初始结构,利用Zemax优化得到无中心遮拦的离轴三反射空间观测望远镜。入瞳320mm,视场(±0.3°)×(±0.6°),焦距1800mm。

大口径离轴折反式中波红外连续变焦系统设计

基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器，设计了大口径离轴折反式中波红外连续变焦光学焦系统。系统工作波段为3．7～4．8μm，焦距范围250—2000mm，F数为4。光学系统分离轴无光焦度系统和透射式连续变焦系统两部分设计，匹配对接后优化。解决了透射式连续变焦系统因材料限制不能做到大口径、共轴折反式连续变焦系统短焦遮拦比大和离轴三反不能做到100％冷光阑效率的缺陷。满足100％冷光阑效率，在空间频率16lp／mm处系统的MTF值大于0．5，具有像质好，分辨率高等特点，满足设计要求。

红外仿真变焦光学系统设计

针对目前半实物仿真采用一弹一仿的问题，提出采用变焦距投影系统的五轴转台仿真方案，使得不同视场、不同焦距、不同型号的导引头可以采用同一套仿真系统进行仿真测试，提高了仿真系统的效费比。分析了红外半实物仿真用变焦光学系统的特点，设计了（8～12）μm波段衍射受限红外变焦光学系统，系统入瞳直径80mm，变倍比为3．0，弥散斑直径小于50μm。