具有二次像面的三反射光学系统的研究

论述了一种具有二次像面的偏视场三反射光学系统的设计方法 ,定性地讨论了设计参量β1,Δ ,f′1对系统传递函数的影响 给出两种结构型式 ,两个设计结果 ,并从系统成像质量的好坏、加工的难易程度及结构的可实现性分析了两种结构型式的优缺点 .

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。

离轴反射光学系统像差特性研究

以轴对称光学系统的初级矢量波像差理论为基础,通过引入孔径缩放因子和孔径偏移矢量,获得了离轴反射光学系统初级像差特性。通过分析可知:离轴反射光学系统的初级像差依然由球差、彗差、像散组成。由于孔径缩放因子存在,离轴反射光学系统的波像差系数均有不同比例的减小,且轴对称光学系统的高级孔径像差会在对应离轴光学系统中引入较低阶孔径像差,例如轴对称光学系统未校正球差,对应的离轴光学系统除过球差外还将引入彗差、像散等。相比于轴对称光学系统的像差,由于孔径偏移矢量的引入,离轴反射光学系统的像差不再关于中心视场旋转对称,有可能在轴外视场产生像差零点。

大视场三反射面非共轴光学系统研究

本文研究了一种各面都是二次曲面的三反射面非共轴光学系统，并给出视场角为１６° × ２°，焦距为 １５００ｍｍ的设计结果．

失调卡塞格林光学系统像差特性的研究

以矢量波像差理论为基础,对卡塞格林光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调的卡塞格林系统不会引入新的像差,只是会导致三阶像差在像面上的分布发生变化,球差在全视场内为常量,彗差零点不再位于视场中心,像散在视场内存在两个零点且不再关于中心视场对称。在校正失调产生轴上彗差的情况下,卡塞格林系统的一个像散零点位于轴上视场,轴上视场的像差接近于零,但是边缘视场的像散依然较大,因此在卡塞格林系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差来确定系统的装调状态。利用CODE V对失调卡塞格林系统的像差在视场上的分布进行仿真,结果表明利用矢量波像差理论可以对失调卡塞格林系统的像差进行定性分析,以提高卡塞格林系统的装调效率。

一种大视场反射光学系统的研究

从Schwarzschild系统出发,基于设计大视场光学系统的同心原则,设计了一种大视场的三反射光学系统.该系统有两个球面反射镜,一个二次非球面镜,系统在频率50 lp/mm处22°×11°的条形大视场范围内具有良好的成像性能,可以用于紫外探测光学系统中.

高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用

大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙,小到光学显微镜探察细微的纳米世界,光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着至关重要的角色.看得更远、看得更细、看得更清楚是人们不断追求的目标.传统光学理论已证明所有经典光学系统都是一个衍射受限系统,即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和系统的相对孔径(或数值孔径)决定的.能否突破这个极限?能否不断提高光学系统的成像分辨率?围绕着这个问题,本文综述了近年来开展的各种光学高分辨和超分辨成像技术,及其在空间探测和生物领域中的应用.

基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.

空间CCD相机测角精度测量方法研究

利用高精度转台、单轴速率位置转台控制单元、双坐标自准值仪、平行光管、高亮度LED光源及星点板构建地面试验室测量系统进行测量空间CCD相机的测角精度。在数据与图像处理过程中,使用了暗电流定标去噪和将二维图像转换为一维的目标星点粗定位的预处理方法,并提出适用于本实验的星点细分定位算法。通过实际测量实验,测得的测角精度不高于0.2″,证明了该地面测量方法的有效性和合理性。

非球面干涉定心方法研究

由于非球面光轴的唯一性,非球面定心工艺中需分别定义顶点偏心误差和球心偏心误差.通过估算顶点偏心在传统定心仪上的测量误差,可以发现传统定心仪很难达到控制目的,而干涉测量方法却能得到较高的准确度.理论推导和模拟计算表明:顶点偏心角与偏心彗差之间有线性关系,顶点偏心角的彗差灵敏度与非球面的陡度成正比.使用干涉检测的方法可以同时控制非球面的两种偏心误差,且其检测准确度可以达到0.02mm.

红外3.7～4.8μm波段折射/衍射光学系统的消热差设计

研究了衍射光学元件在红外折射/衍射混合光学系统中的消热差特性并给出了具体设计实例,该系统工作波段为3.7～4.8μm,全视场角为7.12°,满足100%冷光阑效率.系统仅采用硅和锗两种材料,设计结果表明,该系统在-50～100℃温度范围内不仅成像质量接近衍射极限,而且结构简单、体积小、质量轻,适用于像元尺寸为30μm、像元数320×240的凝视焦平面阵列探测器.

偏视场用三反射系统的一次杂光问题研究

介绍了传统的二反射系统的杂光设计方法 ,研究了偏视场用三反射系统的杂光域与光阑位置的关系 ;指出了在线遮栏比较小 (如 1/ 4 )和半视场角比较大 (如 0 .77°)的情况下 ,设计时可不考虑用外遮光罩消一次杂光 ;给出了在不使用外遮光罩消一次杂光的情况下 ,决定主镜上内遮光筒和次镜上内遮光罩的长度的方法 ,此时系统线遮栏比为 1/ 2 .6 ;由于飞行方向与垂直方向视角不同 ,主镜上遮光筒和次镜上遮光罩的形状可以设计成非轴对称形状 ,并可使系统线遮栏比降为 1/3.3;在此基础上提出了进一步减少系统遮栏比的方法 ,使线遮栏比降为 1/ 3.

长波红外大视场大相对孔径光学系统设计

设计了用于非制冷红外焦平面阵列探测器的大视场、大相对孔径的长波红外物镜。系统由3片非球面锗镜组成,采用反远距结构,系统焦距为6mm,相对孔径为1∶0.8,全视场角为160°,总长为86.13mm。设计结果表明:在空间频率为20lp/mm处的MTF值大于0.7,接近衍射极限。该系统除具有反远距结构的结构简单、体积小、质量轻、像面照度均匀等优点外,还具有超大视场。

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。

长波红外光学系统无热化设计

分析了衍射光学元件在红外光学系统中的消热差特性,设计了工作于8～12μm,全视场角为6.44°的红外消热差光学系统,设计结果表明,该系统在-10℃～60℃温度范围内成像质量接近衍射极限,适用于像元尺寸为45μm的非制冷焦平面阵列探测器。

失调三反消像散光学系统像差特性

文中以矢量波像差理论为基础,对TMA光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调TMA系统的初级球差在全视场内为常量,彗差在全视场内的方向与量值均为常量,由失调引入的像散表现为失对称性、像散值与视场成线性,其零点位于中心视场。在校正失调产生彗差时,TMA系统像散零点位于轴上视场,像差接近于零,而边缘视场的像散依然较大,因此在TMA系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差。在同样情况下若轴上视场测量到像散,则是由于主镜的面形误差导致而非系统失调引起。利用CODE V对失调TMA系统的失调像差分布进行仿真,结果表明,利用矢量波像差理论可以对失调TMA系统的像差进行定性分析,以提高TMA系统的装调效率。

折/衍混合大相对孔径星敏感器光学系统设计

将衍射光学元件用于星敏感器光学系统,设计了一种全新的大相对孔径、甚高精度星敏感器光学系统。系统焦距为90 mm,相对孔径为1/1.2,视场角为2ω=7°,光谱范围为0.45～0.85μm。系统结构简单,满足了星敏感器系统对弥散斑直径、能量集中度、畸变、垂轴色差等像差的特殊要求。此外,对系统进行了环境温度分析,结果表明:衍射光学元件的使用在实现小型化、轻量化设计的同时,增强了星敏感器光学系统消热差和抗离焦的性能,为星敏感器光学系统设计提供了新的思路,具有重要的参考意义和应用价值。

基于高速转镜的高分辨率干涉光谱仪非线性理论研究

介绍一种基于高速转镜的高分辨率光谱仪的原理 ,讨论了光程差的非线性与转镜转角 θ、折射率 n的关系 ,给出光程差的一般公式 ,并讨论了一般空间光线的光程差 ,及系统非线性变化规律 .计算得到了使非线性最小的理想的材料折射率值 ,并通过计算机仿真 ,进行了验证 .

新型大视场无遮拦三反光学系统设计

针对传统形式三反光学系统难以实现大视场的缺点,提出了一种基于反摄远结构的三反光学系统,并获得初始结构参数求解方程。在反摄远结构三反光学系统中,将主、次镜组成反转伽利略望远镜结构形式,以便简化三反光学系统初始参数的求解方程,最终通过视场偏置的办法实现无遮拦设计。基于上述方法,采用光学设计软件Code V设计了焦距f=100 mm,F数为5,视场为20°×20°。像质评价结果表明,系统在空间频率为50 lp/mm处的MTF值均大于0.6,像质优良。与其他三反光学系统相比,该系统不仅具有大视场,而且仅使用了两块非球面反射镜,降低了系统成本。

一种新型的两镜三反射光学系统设计

结合反射系统中双反射和三反射各自的优缺点,提出一种特殊的两镜三反光学系统,给出其初始结构的确定方法。对其结构优化过程中,在系统次镜后加平面反射镜,将系统进行折轴处理,然后在折轴反射镜后加透镜来校正剩余像差。该系统初始结构中两反射镜组成的是一个无焦系统,在主镜发生2次反射后成像。分析该初始系统的缺陷,对补偿该缺陷并使其成像质量达到衍射极限的后续补偿系统进行了设计。应用该方法设计了焦距f=5000mm,F数均为5,全视场角分别为0.4°和1°的2个系统,从像质评价结果可以看出,系统成像质量接近衍射极限,具有长焦距、小尺寸等特点。