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。     

折/衍混合多光谱红外成像光谱仪离轴系统设计

采用二元光学透镜作为分光元件的多光谱成像光谱仪,由于焦距随波长的变化改变了系统的F数,因此改变了系统的放大率,从而引起光谱图像的像元配准误差。为改进基于二元光学透镜的多光谱成像光谱仪的性能,首次提出将离轴三反射镜系统与具有二元光学透镜的变焦距系统相结合的新技术方案。设计了由三片二次非球面生成的无中心遮拦的前置望远镜,该望远镜不仅有利于提高多光谱成像光谱仪的集光能力,且有利于系统的小型轻量化。同时设计了含二元光学透镜的三片型变焦距组件,用来消除多光谱成像光谱仪的像元配准误差。整个多光谱成像光谱仪系统仅有6个单片,非常简单。另外,该系统在空间频率为20 c/mm时MTF超过0.3,充分满足红外焦平面探测器对多光谱成像系统分辨率的要求,像面尺寸为7.2 mm。适用于探测单元尺寸为25μm、规格为128×128元的红外焦平面探测器。     

应用全息变间距光栅的极紫外成像光谱仪光学系统设计

随着对太阳等离子体活动物理过程研究的深入,对太阳极紫外成像光谱仪的性能要求越来越高,而设计高性能太阳极紫外成像光谱仪的一个重要方法就是应用变间距光栅。提出了一种应用全息变间距光栅的太阳极紫外成像光谱仪的设计方法：首先设计系统的初始光学结构,然后根据全息变间距光栅光程差原理,利用1stopt软件的通用全局优化算法计算出像差小的光栅,最后用Zemax软件对整个系统进行建模与优化。给出了设计实例,设计出的太阳极紫外成像光谱仪工作波长范围为17~21 nm,视场为2400″,空间分辨率为0.6″,光谱分辨率为0.00225 nm/pixel,长度约为2 m。在光谱范围内,空间方向与光谱方向的均方根半径以及截止频率范围内的调制传递函数均满足要求。     

空间外差光谱仪成像光学系统设计

为满足高光谱傅里叶变换光谱仪对高光谱分辨率、小畸变、像面光谱辐照度均匀、高信噪比以及仪器轻量化小型化的要求,设计了空间外差光谱仪成像光学系统。基于傅里叶变换的空间外差光谱仪空间干涉的特点和对成像系统缩放比、畸变等要求,依据干涉图调制度分析了最恶劣面形改变条件下对干涉仪元件面形误差的要求,并采用前后镜组匹配实现了双远心成像系统的设计。设计结果表明:该光学结构可避免调焦产生的成像系统缩放比改变,有效视场内畸变量约0.1%,传递函数在38.5 lp/mm处物面所有点全视场范围逸0.60。依据仪器视场角对滤光片安装位置和精度提出要求,并对成像系统进行杂散光和照度均匀性分析提出有效抑制杂散光的措施和方法。系统设计满足了空间外差光谱仪对成像的要求,实现了照度均匀、低畸变、离焦情况下缩放比保持不变等。     

星载大相对孔径宽视场成像光谱仪光学系统设计

高分辨率大相对孔径宽视场成像光谱仪已成为星载海洋水色遥感等领域的迫切需求,根据大相对孔径和宽视场的研究目标,采用折叠Schmidt望远成像系统与改进型Dyson光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个相对孔径1/1.2、视场3.9°,工作波段0.35~1.05μm的航天遥感成像光谱仪光学系统。基于像差理论,分析了改进型Dyson光谱成像系统球差校正原理。运用光学设计软件ZEMAX对成像光谱仪光学系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析。分析结果表明,光学系统在各个波长的光学传递函数均达到0.77以上,谱线弯曲和谱带弯曲均小于6%像元,便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,非常适合应用于航天遥感。     

中红外平面光栅光谱仪系统光学设计与优化

利用红外热电堆阵列探测器作为光接收器,以小型化且能满足一定光谱工作范围和光谱分辨率为设计指标,根据光谱仪器设计理论和像差理论,设计了一种Czerny-Turner结构中红外平面光栅光谱仪。系统采用双离轴抛物面镜作为前置光路缩减了光学系统尺寸,采用超环面聚焦镜校正了像散。运用ZEMAX设计软件对中红外平面光栅光谱仪的前置光路、色散成像系统进行设计、优化和分析。最终分析结果表明,该系统光谱工作范围为8.04~13.96 m,光谱分辨率优于80 nm,F数为2,光学结构特征尺寸约为150 mm200 mm70 mm,满足设计指标。     

高分辨率近红外成像光谱仪光学系统

研究了一种在近红外波段具备良好成像能力的双凹面光栅成像光谱仪系统。对这种串联光栅系统中存在的主要像差像散和彗差进行了分析,并计算获得了该系统的最优成像条件:两个光栅和柱面透镜的最优摆放位置。这种改进型的Wadsworth系统可以在全波段近似消除彗差和像散,具备良好的光学成像质量,并仅通过刻线密度较低的光栅即可实现高光谱分辨率。设计了一个工作于780~1 100 nm波段的成像光谱仪系统,其光谱采样达到0.92 nm/pixel,全视场调制传递函数在17 lp/mm的奈奎斯特频率下高于0.45,系统像差得到充分校正,且加工和装调公差比较宽松。研究结果分析证明了设计理论的正确性。     

空间高光谱成像仪的光学设计

空间高光谱成像仪是现代空间遥感器的新型载荷,设计的空间高光谱成像仪光学系统由前置望远系统和光谱成像系统两部分组成,对前置望远系统和光谱成像系统分别设计,再进行组合优化。前置望远系统采用离轴三反结构,在增大幅宽、提高成像质量的同时减小高光谱成像仪光学系统的畸变。为了保证光学系统结构的紧凑,前置望远系统采用视场分离的方式设计,进一步提高了光学系统的分辨率。凸面光栅是现代光栅刻划技术的最新成果,光谱成像系统采用次镜为凸面光栅的Offner光栅光谱仪,实现了光谱成像系统的高分辨率与小型化。组合优化后的高光谱成像仪光学系统幅宽大、体积小、成像质量好、光谱分辨率高、光谱通道数多,全视场全谱段MTF在Nyquist频率下高于0.7,成像弥散圆80%的能量集中在15 m范围内,小于探测器18 m的像元尺寸,均高于系统技术指标要求。     

天基光丝激光雷达光谱仪光学系统设计

为了实现光丝激光雷达系统的天基应用,开展了天基光丝雷达光谱仪光学系统设计,根据应用需求确定光谱仪光学系统构型主要由望远系统、狭缝、准直系统、平面光栅、成像系统构成;为了解决谱段宽可能引入的色差问题,光谱仪系统采用全反射结构设计;完成了光学系统与各项指标分析,通过设计可达到以下指标：光谱仪谱段范围为320～950 nm,光谱分辨率为2 nm,光谱仪最大色畸变为1.1μm（即0.07 pixel）,3个像元内的能量集中度大于96%,光学传递函数MTF在3.7 lp/mm下可达到0.99。所设计的光谱仪系统可用于星载大气成分高分辨率光谱探测。     

大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计

设计了一款大线视场离轴三反光学系统,系统焦距1 200 mm,相对孔径1:12,视场角301。设计中,第三反射镜应用了x-y多项式光学自由曲面提升系统设计自由度,为便于装调,保证关于子午面像质对称,对x-y多项式自由曲面表达式进行了修正。设计结果得出,该系统光学传递函数均优于0.45@50 lp/mm,工作视场内,系统最大波像差为0.056,平均波像差RMS值为0.036,最大畸变值为0.8%,像质相对于子午面完全对称。系统进行了合理的公差分配,蒙特卡罗分析结果显示,该光学系统最终可实现平均波像差优于/14的成像质量。该系统的设计对空间遥感器光学系统的设计具有一定的参考价值,适合作为大幅宽推扫成像系统。     

Offner型成像光谱仪前置光学系统设计

针对Offner 型成像光谱仪结构特点,总结了其前置望远系统的选型及设计原则;介绍了一种大视场、长焦距、像方远心离轴三反光学系统的设计方法;利用该方法优化设计了一款焦距800 mm,视场达8.60.148,工作波段0.9~5 m 的星载Offner 型成像光谱仪的前置望远光学系统。对其性能分析表明,在Nyquist 频率16.7 lp/mm 处,各谱段的调制传递函数值均在0.65 以上,接近衍射极限,完全满足成像质量要求。同时证明了该设计方法可行,所设计系统结构紧凑,较易加工,适于空间遥感用Offner 型成像光谱仪。     

宽光谱、大视场小畸变望远系统设计

设计了一个应用于成像光谱仪的望远系统,针对成像光谱仪的特点,由前置望远镜及后置光谱仪组成。前置望远系统的参数以及成像质量对整个成像光谱仪应用显得非常重要。设计了一个谱段范围1～2.5 m、视场为28.10.3、相对口径为1/4、焦距长度为60 mm的望远系统。系统在谱段1～2.5 m宽谱段范围内通过玻璃的匹配校正了色差及二级光谱,畸变控制在0.2%以内,很好地保证了与后续光谱仪的对接,此设计可用于航空领域进行大视场、高分辨率成像。     

机载高光通量双波段成像光谱仪的设计

分析了成像光谱仪常见结构的优缺点并给出了分析过程,对望远镜系统和光谱成像系统结构进行了合理选择,实现了单一成像光谱仪同时覆盖可见近红外(VNIR)和中波红外(MWIR)双波段。根据研究目标要求设计了一个大F数(VNIR波段F/3,MWIR波段F/2)机载双波段成像光谱仪。该光谱仪双通道共用一个同轴平场无遮挡Schwarzschild望远镜,用二向色分束器分开。双通道光谱成像系统均采用同心共轴的Dyson结构,VNIR波段和MWIR波段光谱分辨率分别达到5 nm和15 nm。为使设计的系统结构合理,介绍了光束分离结构和光谱仪的光束折叠方法。设计结果表明:该系统结构简单,效果良好,谱线弯曲分别小于1.2μm和0.5μm,谱带弯曲均小于0.5μm,偏振灵敏度小于4%,适用高光谱分辨率机载双波段成像光谱仪。     

小型长波红外光栅光谱仪光学设计

光学系统是光谱仪微小型化的关键,光学设计的质量将直接影响微小型光谱仪的性能.针对长波红外光谱探测的具体应用,对比国内外各种方案,分析其优劣后提出一种基于交叉非对称切尔尼-特纳(Czerny-Turner)结构的小型光栅光谱仪.首先根据光谱仪基本原理和光学设计理论,分析系统的光谱分辨率、像差以及探测灵敏度.然后以小型化、低成本、要求的光谱范围和分辨率为具体设计目标,对系统进行优化设计.最后在光学软件Zemax中进行模拟和优化.设计结果表明:该系统的光谱范围为8～14μm,光谱分辨率优于80nm,光学系统尺寸约为100mm×75mn×45mm,满足小型化要求.同时采用扫描光栅配合单通道探测器的方式降低成本.     

一种用于机器视觉系统的双远心镜头设计

为了满足目前机器视觉工业在线检测提出的更高要求,本文给出了一种用于机器视觉系统的双远心镜头设计思路.首先,根据系统设计指标,确定较合适初始结构;然后,在双远心镜头成像原理和像差分析方法基础上,应用光学设计软件Zemax对系统像差反复优化设计,最终得到了一款具有高分辨率、低畸变及远心度小等特点的双远心镜头.该镜头系统由1...