大口径长焦距暗弱星模拟器系统设计

为提高星模拟器口径及焦距,提出以大口径长焦距离轴反射式系统作为星模拟器的准直光学系统。首先,研究星模拟器参数需求及光学系统构型优缺点,确定准直光学系统结构;其次,优化光学系统参数,分析像质情况;最后,测试系统各项实际指标,验证光学系统可行性。优化结果表明:系统口径为Φ510 mm,焦距为5000 mm,系统波像差≤0.049λ,点列图RMS半径≤2.589μm,各视场MTF接近衍射极限,畸变量≤0.002%,场曲≤0.2 mm,完全满足设计要求。测试实验结果表明:系统波像差0.0616λ,星等模拟范围+7~+12 Mv,星等模拟误差0.08 Mv,实现了对高星等恒星的精确模拟。

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。

基于双冷却介质下的长焦距大型曲面反射镜片冷却系统的研究

根据长焦距大型曲面反射镜片成型时其在不同区域所产生的热量多少不同,创新性地提出了采用双冷却介质的长焦距大型曲面反射镜片冷却系统,从而有效地带走不同区域的热量,解决了长焦距大型曲面反射镜片由于不同温度而产生的变形的问题,提高了产品的精度。

折反式坦克目标跟踪识别红外光学系统设计

基于光学相关探测,根据坦克目标跟踪识别系统的需求,设计了一种新型的卡塞格林红外光学系统,其非球面的主镜和次镜都取代为球面镜,不存在卡塞格林系统大口径非球面主镜、次镜的高加工精度和装调困难的问题;为满足大视场、大孔径的像差要求,用三个校正透镜,在保护罩中用一个偶次非球面。其系统结构紧凑,口径大,焦距长,分辨率高,并且各视场均能获得接近衍射极限的成像质量,满足坦克目标跟踪识别系统的总体要求和像质的要求。

大视场近红外微光摄像镜头设计

对近红外波段玻璃材料的相对部分色散进行了研究计算,分析了近红外波段长焦距光学系统的二级光谱特性。并设计了焦距180mm,F#1.2的大视场近红外微光探测物镜,该系统采用ZF、ZK类普通玻璃,且无胶合面,满足露天环境使用。

一种长焦大变倍连续变焦光机组件结构设计及装调

介绍了一种基于长焦大变倍比连续变焦红外热像仪的结构设计及装调方法。可用于各类红外热像仪的变焦结构设计中,在保证图像清晰的前提下,能够明显改善连续变焦过程中的光轴晃动,提高红外热像仪的光轴一致性和光轴稳定性,控制焦距精度,降低红外热像仪装调难度。该结构采用双导轨配合步进电机组件化设计,相对于其他变焦结构的设计,该结构变焦过程中光轴一致性好,光轴晃动量小,通用性强。

分孔径三视场中波红外光学系统

为了克服单一光学通道长焦距与大视场之间的矛盾,设计了一款分孔径大变倍比三视场中波红外光学系统。该光学系统采用分孔径技术,包括小视场光学通道和中视场/大视场光学通道,两个通道之间的转换通过切出切入45°放置的反射镜完成,小视场光学通道采用二次成像,仅采用6片透镜,透过率高;中视场/大视场光学通道采用三次成像;小视场光学通道与中视场/大视场光学通道共用一片反射镜和中继组,实现了共出瞳分入瞳——分孔径;小视场长焦距为1 120mm,大视场短焦距为22.58mm,变倍比达到53×;对小视场光学通道进行了三次立体折叠,对中/大视场光学通道进行了一次折叠,有效地对横向和纵向尺寸进行了控制,外形包络在270mm×217mm×258mm范围内,系统紧凑,实现了兼具长焦距和大视场的三视场中波红外光学系统。设计及实验结果表明该光学系统像质良好,满足热像仪使用要求。

双目智能眼镜视差快速测试系统设计

为了快速测试双目智能眼镜的视差,提出了一种用大口径长焦距镜头CMOS作为检测设备的测试系统。将大口径长焦距镜头的CMOS相机与双目智能眼镜的光轴在同一水平面上且共线,通过一次拍摄得到双目智能眼镜的显示画面,借助十字刻度测试图作为图像源,快速计算出双目智能眼镜的视差。论述并推导了双目智能眼镜视差产生的数学模型及计算公式,分析了系统误差来源。实验结果表明,一次拍摄就可以得到表征双目视差的图像;相机图像采集精度误差为2.47″;测试图读数误差为3.7′;测试图读数测试法与实际测试结果的误差为3.85′,满足快速高效测试双目智能眼镜的要求。

长焦距离轴三反射式光学系统设计

介绍了一种长焦距离轴三反射式光学系统的设计过程。在同轴三反射式光学系统基础上,将第一面镜设置成光阑,通过对其适当的离轴、倾斜,实现无中心遮拦的离轴反射式光学系统设计。给出了同轴系统初始结构的求解方程,分析了同轴系统存在的问题。以一个长焦距离轴三反射式光学系统作为设计实例,通过镜面离轴、倾斜和优化,得到了成像质量良好的设计结果。

基于圆边响应离焦估计的望远物镜自动调焦方法

本文提出了一种基于圆边响应曲线的离焦估计新算法,实现了调焦参数的标定和望远物镜的自动调焦。建立了圆形边缘的灰度响应与离焦半径的关系模型,设计了圆四周离焦半径的双阈值均值滤波器,实现了模糊图像离焦半径的精确估计,降低了运动模糊和噪声的影响。根据离焦半径与调焦距离的线性关系,采用折线拟合方法,求解正焦调焦距离。然后,利用多个物距和正焦像距,优化求解测距调焦模型参数,实现了成像系统的自动调焦。仿真和实际实验验证了离焦半径估计算法的有效性和鲁棒性。标定后的自动调焦成像系统图像清晰,拍摄距离在43~52 m之间的物理分辨率接近理论值的一半,可分辨线宽优于0.354 mm.

基于刀口检验的波面重建技术

基于刀口检验的波面重建技术主要是针对大口径长焦距镜面在细磨粗抛阶段的光学检测难题而提出的。该技术实现了对传统傅科检验的改进,其主要内容是:通过CCD采集多幅图像并进行平均消除气流干扰得到真实的傅科阴影图,通过数学建模、原理推导、图像处理及软件编程将傅科阴影图像的灰度变化转换成被检面形的波前等高图。实验结果表明,该技术准确直观地再现了被加工镜面的整体面形误差,能够对细磨粗抛阶段,尤其是细磨改非球面阶段的镜面加工提供很好的指导作用。

利用长焦距航空影像实现城市大比例尺航测数字产品

结合生产实际需求,本文探讨了长焦距航摄仪获取的影像数据在制作DLG、DOM中的应用情况。试验结果表明在无法获取常规焦距的航空影像的特殊城市地理环境下,利用长焦距航空影像可以实现城市大比例尺航测数字产品生产。

大F数长焦距空间相机光学系统设计

随着空间技术的不断发展,地元分辨率不断提高,空间相机光学系统的设计不断提出新的要求。分析了长焦距空间相机光学系统设计过程中需要考虑的问题,研究了大F数、长焦距空间光学系统的设计原理,并进行了光学系统设计。设计了谱段位于500~800 nm,焦距f=7200 mm,F=14.4的大F数、长焦距的折轴三反光学系统。结果表明,光学系统视场角达到1.6°,在450 km的轨道上,地面幅宽可以达到12.5 km,像元尺寸为10μm时,地面像元分辨率达到0.62 m,当中心遮拦为6%时,Nyquist频率（50 lp/mm）处调制传递函数（MTF）优于0.38,成像质量达到衍射极限,光学系统畸变量优于0.5%,可以满足高分辨率空间相机对地观测的使用要求,同时也验证了大F数、长焦距光学系统的设计原理。

环形孔径长焦距光学系统

介绍一种可望用于空间相机的环型孔径长焦距光学成像系统,也是稀疏孔径的一种。光线通过最外面的环形孔径进入光学系统,经过一系列的同轴环形反射镜多次折转,最后通过补偿镜成像在光学系统的像面上。此类系统具有较大的遮拦比,可以在有效减少空间望远系统的厚度和体积的同时保持较好的成像质量,可望用于微小卫星高分辨率光学有效载荷。给出了光线经过6次反射的一种长焦距光学系统设计结果,并对其进行了像质评价和公差分析。

两档变焦测量电视光学系统的设计

基于切换式两档变焦光学装置,设计了一种焦距600mm/1 200mm可变,靶面尺寸10.4mm×7.6mm,工作波段400nm^700nm,通光口径为136.6 mm/170 mm,最大畸变小于0.2%,传递函数值在空间频率60lp/mm处不低于20%的光学系统,该系统经指标及像质测试、环境例行试验、实景成像试验的验证,系统各项技术指标均满足某军用测量设备的要求。

大口径长焦透镜透射波前的精确测量方案设计

大口径长焦透镜是高功率激光系统中必不可少的器件之一,随着装置性能提升,对长焦透镜透射波前包括透射峰谷(PV)值、透射均方根梯度(GRMS)值等,提出了详细的定量技术指标需求。根据长焦透镜焦距特别长的特点,提出了利用准直透镜,大幅缩短长焦透镜检测光路距离干涉检测方法。利用Zemax软件分析了该检测方法的理论误差和调整误差。该检测方法将光路长度由13 m(或33 m),大幅缩短至约5 m,光路受环境温度梯度、气流、震动的影响大幅降低,干涉结果直接显示透射波前畸变。

小口径长焦透镜的焦距检测技术

基于朗奇-泰伯效应及莫尔条纹技术,利用发散光和不等周期光栅的焦距测量方法被用于小口径长焦透镜的焦距测量。将一块曲率半径存在加工误差的平凹长焦透镜作为待测透镜进行焦距测量。在未知透镜真实曲率半径的情况下,首先计算待测透镜曲率半径误差对焦距检测精度的影响,并确定透镜在整个检测系统中的位置,然后进行透镜焦距实际测量,分别计算多组测量焦距值。通过对比发现,在未知待测透镜曲率半径的情况下,检测焦距的重复性、稳定性均一致,所测焦距均为33200~33270mm,且重复性精度高于±0.055%,测量精度优于焦深的1/5。结果充分说明,所提方法对小口径长焦透镜的焦距检测是可靠、有效的。

大口径长焦距星敏感器光学镜头的设计

为了提高星敏感器探测极限星等的能力,通过参数计算、选型设计了一种复杂化双高斯结构的光学镜头,经ZEMAX软件优化后,最终得到由12片球面透镜组成的无渐晕折射式光学镜头。该镜头的入瞳直径为125 mm,系统焦距为200 mm,全视场角2ω为14.84°,谱段范围为500~800 nm。20℃温度下的设计结果表明,该光学系统的均方根弥散斑半径小于3.5μm,全视场光学设计调制传递函数(MTF)在60 lp/mm处大于0.7,3×3像元内的能量集中度大于90%,畸变小于1%,最大倍率色差为1.6μm。经加工、装调后,60 lp/mm处实测光学系统的最低实验室静态MTF为0.324。

大相对孔径长焦距同轴折反射式望远物镜设计

以双反射镜系统为基础,在其前后均增加一组折射光学元件来校正和平衡系统像差,设计了一款仅由2片反射镜和4片透镜组成的大相对孔径、长焦距且总长较短的折反射式望远物镜。该物镜系统的工作波段为400~700 nm,焦距为900 mm,入瞳直径为500 mm,遮拦比为0.43,系统总长为495 mm,全视场角范围内的调制传递函数值在截止频率为107.5 lp/mm处均大于0.5。最后对系统进行了公差分析。结果表明,设计的望远物镜系统具有结构简单、成像分辨率高且公差大等特点。

大视场高分辨率自由曲面成像光学系统设计

自由曲面是一种非旋转对称的面型,具有很强的非对称像差校正能力,为了满足空间遥感光学系统大范围高分辨率成像的使用需求,应用自由曲面设计了一款大视场长焦距离轴三反系统。首先基于矢量像差理论直接获得了无遮拦的二次曲面初始结构,二次曲面初始结构通过反射镜的倾斜和偏心避免光线发生遮拦,再利用自由曲面对初始结构的像差进行校正,通过光学设计软件对二次曲面初始结构进行优化设计获得了最终的自由曲面离轴三反光学系统。自由曲面离轴三反系统的视场角为16°×1°,焦距为2000 mm,入瞳直径为235 mm,调制传递函数曲线接近衍射极限,最大相对畸变为0.37%,光学系统在公差范围内具有良好的成像质量。