22m焦距太空望远镜光学设计

在三级像差理论上对大视场小体积的三反消像散系统进行了探讨,采用了共轴设计、偏置视场使用的成像方式,采用了拼接主镜,对系统进行了相应的误差分析,并在光路的中间像附近引入双折叠镜,通过多次反射压缩光路,有效降低系统体积.设计了一个长焦三反系统,焦距为22m,视场角为0.8°×0.1°,引入折叠镜后系统总长约厂f'/5～f'/5.5,结构简单.     

自由空间光通信系统中ATP技术的研究

对目标的捕获、跟踪和瞄准（Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，Ｔｒａｃｋｉｎｇ，Ｐｏｉｎｔｉｎｇ－ＡＴＰ）技术进行了理论分析和实验研究，ＡＴＰ实验系统光路的主要参数为：信标光束散角：２αｂ＝５ｍｒａｄ；光接收天线视场：２βω＝１０ｍｒａｄ；搜索扫描范围：２α≥±１°，２β≥±１°；安装天线误差：≤０．５°。并在１．６ｋｍ距离上进行了实验验证，实验结果与理论分析基本一致。     

小型化复合孔径双波段观瞄系统设计

针对单一波段生物复眼孔径小、视距短、接收光谱窄等不足,设计了一种大孔径接收可见光、中波红外仿生复眼光学系统。由于集成光路体积大,子眼系统选择共光路的结构形式。基于入射窗和出射窗的物像共轭关系建立了子眼系统拼接的几何模型。通过设计中继转像系统,将子眼阵列所成的曲面像转换成平面像,解决了平面探测器接收曲面像的问题。整个复眼由37个子眼构成,子眼的焦距为30 mm,视场为20°,入瞳为10 mm,相邻子眼光轴夹角为16°,合并后的视场为116°。相对微透镜阵列式的复眼系统而言,该曲面仿生复眼系统探测距离更远、获取目标信息更全。子眼系统和接收系统的成像质量良好,在?40~+60 ℃温度范围内无热差影响。     

紧凑型双视场可见光镜头设计

为使观瞄系统以简单、紧凑结构实现探测、识别目标功能,选用光学补偿法设计紧凑型双视场可见光镜头。首先,根据视场、作用距离指标完成相机选型和焦距计算,依据已选相机像元尺寸和最低照度计算F数,并分析双视场光学系统的特点;其次,对比常规的光阑位置固定方案与光阑位置切换方案,得出后者在实现光学总长、最大通光孔径、变焦行程有效压缩的同时,可以实现更大的相对孔径和更好的像质;最终,选用光阑位置切换方案设计了由11片透镜构成,光学总长为150 mm,最大通光孔径为Φ42 mm,变焦行程为35.97 mm的紧凑型双视场可见光镜头。该镜头短焦焦距为32 mm,F数为2.3,满足水平视场角不小于12°、探测距离不小于5 km的要求;长焦焦距为126 mm,F数为3,满足水平视场角不小于3°、畸变小于0.5%、识别距离不小于5 km的要求。设计结果表明,对于焦距32 mm和焦距126 mm,全视场调制传递函数（MTF ）均大于0.45,全视场点列图的均方根 （RMS）直径小于或接近4 μm,整体像质良好。公差分析结果表明,在135 cycles/mm处,全视场MTF大于0.3的概率达到90%以上。     

基于DMD的红外场景仿真系统投影光路消热差设计

基于DMD的红外场景仿真系统投影光路是仿真系统的关键组成部分。设计了一种准直投影光学系统,利用不同材料热性能互补的无热化光学设计方法,得到系统的初始结构,将某一面设计为二元面,降低了系统像差,提高了光学传递性能,达到系统的消热差设计。投影光路采用折射式结构,工作在8～12 m长波红外波段,焦距为113 mm,半视场角为4.5,F数为1.3。利用ZEMAX软件对光学系统进行了优化,满足了仿真系统的使用要求。     

用于多光谱照明通信的大视场接收光学天线设计

针对多光谱照明通信要求,提出了一种新型大视场高增益光学天线。天线采用前组三片式负组透镜、后组四片式正组透镜组合的反远距天线结构,通过理论计算、Zemax设计优化,设计出视场角(FOV)90°、增益115的大视场高增益前置接收光学天线,同时具有较小的体积。该光学天线与色散分光系统联合仿真表明,该天线可实现视场角90°×22°、增益20,适用于多光谱照明通信。同时设计出的前置光学接收天线也可独立作为大视场成像光学系统、成像光谱仪前置物镜系统等,具有广泛的适应性。     

激光/红外双模环形孔径导引头光学系统设计

为了实现激光/红外双模导引头成像系统的小型化,简化光学系统结构,设计了四次反射的双模共光路环形孔径超薄成像系统,研究了该系统的分光路设计原理,给出了遮拦比与视场角的关系,实现了仅有单一光学元件的长波红外7.7～9.5μm和激光1.064μm双模导引头成像系统。双模环形孔径系统在长波红外波段的焦距为70 mm、等效F数为1.3、全视场为8°、空间频率为41.7 lp/mm时各视场MTF值均大于0.136。双模环形孔径系统在激光波长的焦距为53.8 mm、等效F数为1、全视场为10°、全视场范围内的光斑分布均匀。在环境温度范围为-40～80℃时,长波红外波段各视场MTF值均大于0.13,激光波长的弥散斑形状和能量分布基本不变,实现了光学被动无热化。通过公差分析可知双模环形孔径系统具备可加工性。     

自由曲面离轴四反全铝光机红外探测系统(特邀)EI北大核心CSCD

为满足红外探测系统对大视场、轻量化、低成本的需求,设计并研制了一款用于制冷型红外探测器的自由曲面离轴四反全铝光机系统。光学设计采用具有实出瞳的离轴无遮拦全反射式光路形式,并利用7次XY多项式表征各反射镜面型。在紧凑包络约束下,实现了6.25°×5°的视场角,全视场RMS几何弥散斑半径<6.0μm。各反射镜和支撑结构材料均选用6061-T651铝合金,各反射镜进行了柔性支撑设计,以降低装调时的刚性连接应力。采用激光干涉仪对光机系统波像差进行了测试,典型视场波像差相似文献   

宽视场航天相机像面测量技术

宽视场高质量的航天相机是未来有效载荷的发展方向,基于宽视场航天相机的装调需求,提出了一种干涉测量与几何量测量相结合的像面测量方法。搭建了宽视场航天相机像面测量平台,利用激光干涉仪确定各视场的焦点位置,激光跟踪仪获取各焦点位置坐标,通过坐标换算和拟合完成像面的绘制,像面测量误差可控制在0.01 mm内。通过该方法,完成了一款离轴三反航天相机的像面绘制,系统焦距1200 mm,相对孔径1∶2.4,视场角10°×1°。测试的像面与光学设计软件ZEMAX输出的理想像面进行比对,像面形状及位置基本吻合,平面度偏差0.009 mm。测试结果表明光学系统装调到位,为探测器配准工序的完成提供了重要依据。     

星载大视场多光谱成像光学系统设计

大视场、多通道、小型化已成为星载测绘光学系统的迫切需求。根据上述需求,提出了先用视场分光再用窄带分色片分光的设计方案、并构建了自动消遮挡和轻小型化优化函数。设计了一款主、次、三镜均为球面的离轴三反四通道光学系统,其焦距360 mm、相对孔径为1/6、视场角13°×5°、工作波段0.4~1.1 m、地面像元分辨率5 m、全视场畸变小于5%。加工、装调后的整机系统实测MTF（Modulation Transfer Function）曲线在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.25,同时系统所占空间面积仅为245 mm×423 mm、整机重量仅13.82 kg,从而实现了系统大视场、无遮挡、多通道、体积包络的小型化。     

宽光谱实入瞳远心中继光学系统设计

红外光谱成像系统、光场成像系统、光学显微系统、偏振干涉成像系统、复眼成像系统、环带式全景光学系统、多尺度成像系统及头戴式增强显示系统等光学系统中,通常需要中继光学系统来实现光路衔接、配曈、偏转等。研究了现有中继光学系统结构,介绍了光阑前置即具有实入曈的像方远心离轴三反光学系统的设计方法及自由曲面的描述方法,完成了满足设计参数的具有实入瞳的远心中继光学系统仿真设计,系统各镜采用XY多项式描述的自由曲面离轴三反光学系统结构。CODEV仿真设计结果表明,在工作谱段0.4~5.0 μm、焦距400 mm、F数3、视场角2ω=8°下,系统MTF(Modulation Transfer Function)接近于衍射极限,畸变小于1%,成像质量良好。     

轻小型长波红外光学系统的设计及实现

无人机载光电吊舱对其载荷体积重量的要求苛刻,为了满足8～12.5 μm红外探测需求,设计并实现了一种轻巧紧凑的长波红外光学系统。系统F数为2,口径为150 mm,总视场为2.34°。光学系统采用二次成像折反射式结构,将常用的卡式主系统简化为折叠牛顿式主系统,将球面次镜简化为平面镜折叠光路,轴外像差通过非球面校正镜组校正。主系统采用全铝光机结构,结合后光路的光机材料匹配,在工作环境温度范围内,光学设计传函高于0.41@17 lp/mm,具有100%冷屏效率,而体积仅为Φ152 mm×125 mm。整机装调后,全视场传函高于0.24@17 lp/mm,像质清晰,满足预期。光学系统设计巧妙、结构轻小紧凑、加工装调成本低。设计思路和研制方法可为类似应用的无人机载光电吊舱长波红外仪器的光学系统提供参考。     

波导体全息光栅衍射光谱范围一致性研究

为了减小体全息光栅用于全息波导显示时不同视场角下衍射光谱的偏移,提出选择最佳的光栅矢量倾斜角和像源光轴相对于体全息光栅的倾斜角,可以减小衍射光谱的偏移。为了使全息波导显示系统在给定入射角度范围内具有相同的衍射光谱范围,采用三次曝光记录了一层体全息光栅。仿真结果表明,当像源的光谱范围在524~540nm之间时,该体全息光栅在入射角度范围-3°~3°内的衍射光谱范围相同,提高了给定入射角度范围内衍射光谱范围的一致性,可以应用于全息波导显示系统中。     

基于量子遗传算法的自由曲面离轴反射光学系统设计

针对自由曲面离轴反射光学系统的初始结构较少、优化过程复杂的问题,提出了一种基于量子遗传算法的离轴反射光学系统设计方法,即采用量子遗传算法结合像差理论得到高像质的初始光学系统结构,再对其离轴化处理并引入自由曲面,进而设计得到自由曲面离轴反射光学系统。该方法可以方便、快捷地为自由曲面离轴反射光学系统提供像质良好、特定布局的初始结构。以离轴三反系统为例,采用该方法设计了一套工作在可见光波段、视场大小为10°×4°、F数为2的主三镜一体化的自由曲面离轴三反系统。仿真结果表明,该离轴三反系统视场较大、结构紧凑、成像质量良好,其最大RMS波像差为0.0485 λ (λ=0.6328 μm),全视场的调制传递函数（MTF）在50 lp/mm处大于0.9,且一体化集成结构有利于简化系统的对准及装调。     

大视场太赫兹光学成像系统设计

太赫兹（THz）波具有较高的透过性和时空分辨率等特性，在空间观测领域具有广阔的应用前景。对比于扫描成像，凝视成像具有成像性能高、速度快、结构简单等优点，而大视场成像是凝视型光学系统所必需的。因此，设计大视场凝视型THz光学系统具有重要的工程应用价值。采用反远距结构，利用Zemax设计了一款相对孔径为1、全视场角为60°的大视场THz光学成像系统。该系统采用4片式反远距共轴结构，由2片球面透镜和2片非球面透镜组成，同时透镜材料采用聚甲基戊烯（TPX）材料，整个系统具有结构紧凑、质量轻等优点。优化结果显示，各视场内的弥散斑均方根半径均小于艾里斑半径，在空间频率为12.5 lp/mm处全视场的调制传递函数（MTF）值高于0.3，表明该系统具有良好的成像质量。此外，公差分析结果表明，该系统具有较好的稳健性，加工工艺水准易于实现，符合设计要求。本设计对于THz空间大视场高分辨探测具有重要参考价值。     

基于移动智能终端的便携式眼底图像检测仪

提出了一种便携式眼底图像检测系统,连接在移动智能设备上对眼底图像进行拍摄、存储、显示和解析。采用紧凑精密的光路结构开发了基于Android的图像处理与解析软件,并通过智能终端自带的远程消息发送软件,可将眼底图像远程传送给专业医生进行临床诊断。仿真结果表明,照明均匀性超过85%,杂散光在2%内。实验结果表明,该检测仪光学系统的视场为45°、工作距离为30 mm、总长度＜180 mm,可实现眼光焦度补偿范围为-10～+5 m-1,成像清晰,畸变＜6%。实现了对眼底检查的远程移动医疗。     

单视点双曲面折反射红外全景成像系统设计与分析

在单视点结构约束条件下推导了给定红外探测器参数（像元规模和像元中心距）和俯仰角范围时,二次曲面反射镜面型（离心率）、反射镜厚度、反射镜与折射镜头之间的安装距离、折射镜头焦距等参数的数学公式,为建立单视点双曲面折反射红外全景成像系统提供了几何约束关系。与此同时,针对双曲面反射镜的特点,推导了其用于单视点折反射红外全景成像系统时空间分辨力（垂直方向瞬时视场和水平方向瞬时视场）的数学公式,并在理想大气、假设目标对比度足够高、探测方程相关参数最简化的条件下将其与现有的NVThermIP模型结合获得系统作用距离的公式。采用不同像元规模和灵敏度（噪声等效温差）进行了仿真,发现:（1）系统空间分辨力随像元规模的增大而增大;（2）系统作用距离随像元规模和灵敏度的增大而提高,但灵敏度的增大对作用距离的改善不明显。     

平流层飞艇激光风速仪的设计和分析

准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点，为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求，设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器，完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计，采用收发合置的望远镜设计方案，无探测盲区，接收视场角较小，提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准，通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数，并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中，激光器的平均功率为500 mW，积分时间为10 s，距离分辨率为100 m，分析结果表明，风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s，计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下，其风向精度优于5°。     

双次棱镜耦合输入全息波导显示系统设计

提出一种双次棱镜耦合输入全息波导显示系统, 介绍了其工作原理, 设计分析了双次棱镜耦合输入消色差原理, 并对模型做出仿真分析。仿真结果表明, 该系统视场角为24°×20°, 出瞳直径为40 mm, 畸变小于2%, 全视场MTF在30 lp/mm处大于0.7, 满足光学系统的成像要求。     

成像光谱仪离轴三反望远系统的光学设计

视场宽、结构紧凑、体积小、质量轻是空间光学成像系统设计研究的热点.在共轴三反镜系统的几何光学成像理论基础上.从离轴三反望远系统的方案选择、初始结构计算、三级像差的校正及光学系统的优化4个方面,研究了成像光谱仪用宽视场、大相对孔径离轴三反消像散望远系统的设计问题,设计出一个光谱范围1.0～2.5μm、焦距f'=300 mm、相对孔径厂f'/4、视场角6.8°×0.1°的离轴三反望远系统,系统非球面最高次数为4次,总长约为f'/2,对于空间频率30 lp/mm处,调制传递函数值均大于0.8.