基于Q-con非球面的折反射式全景光学系统设计

为了获得大视场管道内壁全景成像,利用Q-type非球面中的Q-con非球面设计了一款工作在可见光波段,视场大小为(65°~115°)×360°,焦距为1.24 mm,F数为3.5,总长为100 mm的折反射式全景光学系统。该系统由1片反射镜、8片透镜组成,其中反射镜单元采用Q-con非球面面型,其余透镜均为球面。在尼奎斯特频率93 lp/mm处调制传递函数大于0.4,成像质量接近衍射极限。为验证Q-con面型相对于偶次非球面面型在折反射式光学系统设计中的优势,实际设计了一款与Q-con非球面折反射式全景系统具有相同参数的偶次非球面折反射式全景系统,对两者进行了分析比较。结果表明,相对于偶次非球面,Q-con非球面多项式系数比对应的偶次非球面的多5~17个数量级,不仅有效的提高了系统设计效率、加工与检测精度、减小成本,同时也可以实现像质更高、口径更小的设计结果。

“日盲”紫外折反射全景光学系统设计

利用折反射全景成像系统的大视场和高噪声屏蔽特性,研制了一套视场角为360°×（45~90°）,相对孔径为1∶2的＂日盲＂紫外折反射全景光学系统,用于紫外目标探测研究。综述了紫外探测技术要素,确定了紫外折反射全景光学系统设计参数。基于像差理论及紫外光学系统特性,从参数分配、初始结构求解入手,采用分裂透镜、加齐明镜等方法设计了光学系统。分析结果表明,＂日盲＂紫外折反射全景光学系统各视场能量集中度为80%的弥散圆直径均小于20μm,低于紫外ICCD像元尺寸的30μm,各视场MTF〉0.7@17 lp/mm,满足设计指标要求。实验验证了外折反射全景技术用于电晕探测的可行性,实验图像成像效果良好。

3.7~4.8μm红外二次成像折反射式光学系统设计

为满足小、远目标和空间目标的光学特性测量需求,提出以RC结构为设计基础,通过曲线方程和高斯公式确立反射式光学系统初始结构参数。为达到优化设计目的,结构中引入了二次成像中继镜组,解决了100%冷光阑效率问题。通过ZEMAX建立评价函数,仿真测试表明:设计完成的红外二次成像折反射式光学系统口径200 mm,焦距380 mm,结构紧凑简单,成像质量满足实际测量需求。

柱面场景无畸变的折反射全景成像系统

提出了一种基于透视成像模型的柱面场景无畸变的折反射全景成像系统设计方法,该方法 利用系统柱面场景无畸变成像要求和视场角确定反射镜面形。根据这一方法设计制作了高次旋转对称非球面反射镜,并用该反射镜和CCD摄像头建立了全景成像系统,实现了对360°柱面场景的无畸变成像。

长焦距大口径连续变焦距光学系统

为了实现对远距离目标的实时跟踪与测量,设计了口径为650 mm,焦距为5 000～2 000 mm的连续变焦距光学系统.提出了牛顿式折反射光学系统与倒置的连续变焦距光学系统组合的设计方法,实现了光瞳的合理匹配与对接.确定了合适的入瞳位置,消除了变焦过程中像面容易产生的鬼像.通过合理匹配主系统和变焦距系统的光焦度,使得二级光谱最小化.运用CODEV软件对各焦距位置的像差进行优化与平衡,使变焦距光学系统在各焦距位置的像差均得到校正与平衡,像面保持严格的一致性,从而各焦距位置成像质量良好.实验显示该系统全视场平均传递函数均在0.524以上（Nyquist频率：35 lp/mm）,满足使用要求.

小型高分辨率空间相机光学系统低误差敏感度设计

系统性地采取严格控制光学元件加工装配精度、采用大质量高稳定性光机结构、运用精密热控等方法,是以往保证空间相机光学系统高性能成像质量的常规方法,但同时该策略的实施也给相机研制带来了较高的经济与资源代价。面对高性能空间光学相机低成本化的发展趋势,降低光学系统误差敏感度,在保证成像性能的同时降低实现成本,是需要面对与解决的课题。以某小型空间相机研制为背景,应用光学系统低误差敏感度设计方法(降敏设计方法),对相机焦距500 mm、相对孔径1∶5、视场角2ω=4°的同轴两镜折反射式光学系统进行了降敏设计。结果表明,基于降敏设计方法获得的光学系统不仅像差校正理论结果表现优异,调制传递函数接近衍射极限,同时,仿真显示其在误差干扰下光学系统鲁棒性好,为相机的快速低成本制造提供了保证。光学系统降敏设计方法对高性能小型空间载荷的设计与低成本快速研制具有重要的应用价值。

大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统设计

根据目前搜索和跟踪系统要求其红外成像光学系统具有高成像质量、超轻小型化和高温度适应性的特点。采用折反射式光学系统结构形式,基于J-T制冷型320×320凝视焦平面阵列探测器,设计了一种大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统,光学系统远摄比达到0.6。采用光学被动消热差方法进行设计,使该系统在-40℃～60℃温度范围内实现了无热化。同时采用杂散辐射分析软件对系统进行杂散辐射分析,提出合理杂辐射抑制方案,给出了完整的光学系统设计。结果表明,光学系统在不同温度环境下所有视场的调制传递函数(MTF)(17lp/mm)均接近衍射极限,80%的能量集中在1个像元内,且具有结构紧凑、体积小等优点,可满足搜索和跟踪红外光学系统的使用要求。

紧凑型无热化非制冷红外光学系统设计

随着非制冷红外探测器技术的快速发展，非制冷红外光学系统得到了广泛应用。为满足机载或弹载非制冷红外光学系统结构尺寸紧凑、相对孔径大、温度适应性强、杂散光抑制能力高的要求，采用折反射式二次成像光学系统结构形式，实现了远射比0．55，F数0．8的光学系统设计，同时采用光学被动补偿方式，通过适当的光学和结构材料匹配实现了-40℃～50℃无热化设计，并配合一次像面处视场光阑保证光学系统具有较高的杂散光抑制能力。给出了完整的光学系统设计，设计结果表明光学系统在不同温度下各视场调制传递函数接近衍射极限，空间排布紧凑。通过高低温成像实验，验证了该非制冷红外光学系统满足机载或弹载应用的环境要求。

大相对孔径超紧凑型红外光学系统设计

针对目前低成本、小型化、长焦距非制冷热成像系统要求光学系统具有成像质量高、相对孔径大、结构尺寸小、温度适应性广的特点，在对多种实现超紧凑型光学系统结构的分析比较基础上，选用折反式结构，设计了一种大相对孔径超紧凑型红外光学系统。该光学系统的相对孔径达到了1／0．89，远射比达到了0．67。结合该光学系统的结构特点，仅使用Ge材料即实现了～40℃～60℃温度范围内的被动无热化设计。采用杂散光分析软件对系统进行了杂散光分析，提出了合理的杂散光抑制措施。设计分析结果表明：该光学系统在工作温度范围内像质优良（其在不同环境温度下的调制传递函数均接近衍射限）、体积结构紧凑，杂散光可控，可满足小型化、长焦距非制冷热成像系统的使用需求。