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。     

双向大视场消畸变低温红外目标模拟光学系统设计

为了选择合适的低温红外目标模拟光学系统,针对国内现有离轴三反射光学系统多存有弧矢视场较大,子午视场很小的问题,本文基于光学系统对称性法则,设计了子午和弧矢都为5°,波长为3～5μm的矩形双向大视场离轴三反系统,其焦距为400mm,F#为8。利用光学系统结构参数和反射镜的非球面系数,调整三镜的偏心及倾斜来消除畸变及其它像差,系统光学传递函数在6.5lp/mm时优于0.71,全视场均方根波像差达到λ/250,均方根最大弥散斑半径不超过7.0μm,达到衍射极限。另外,系统在各个谱段全视场范围内的最大畸变量小于0.04%。设计的系统可用于红外及可见波段,成像质量均良好。     

无遮拦折反射红外光学系统

提出了一种新型无遮拦红外折反射光学系统的设计方法以解决原系统存在的中心遮拦问题。分析了传统离轴两反望远系统由于存在线性像散而无法实现无遮拦设计的原因,给出了消线性像散的条件。基于上述条件提出了通过对接共轴透镜组实现无遮拦折反射系统设计的基本思想。最终,通过联接不同的中继镜组完成了无遮拦中波、长波红外系统的设计。设计的应用于制冷型3~5μm中波和8~12μm长波红外的两套无遮拦折反光学系统的焦距为200mm,F数为2,全视场为2.75°×2.2°。各视场光学传递函数显示设计的光学系统的成像质量接近衍射极限。得到的结果表明,利用消线性像散的共焦离轴两反系统与同轴透镜组联合设计,可以得到高性能无遮拦的折反射红外光学系统。     

红外多目标复合仿真光学系统设计

基于透射式复合投影以及微透镜阵列扩束设计了适用于1~3 μm和3~5 μm波段的红外多目标复合模拟器的光学系统。该模拟器的干扰光路采用透射式复合投影并利用微透镜阵列完成扩束。此外,采用前无焦系统和后聚焦镜组结合的方式,通过在平行光路中引入平面耦合镜,实现了目标和干扰光路共用一套投影系统。设计过程对目标光学系统、干扰光学系统和主投影光学系统分开优化,之后对系统进行整体优化。该系统入瞳距为200 mm,视场为±4°,全视场调制传递函数（MTF）在20 lp/mm时大于0.6,接近衍射极限。文中分析了加工装调完成后光学系统的实测MTF数据,结果表明,MTF在20 lp/mm时大于0.3,完全满足应用技术指标。该系统已成功应用于新型红外目标模拟器,对未来红外仿真光学系统的设计有参考意义。     

用于MEMS振镜激光扫描的显微物镜设计

为满足微机电系统（micro-electro-mechanical system,MEMS）二维激光扫描系统对显微物镜小入瞳直径、大入射角度、大视场的要求,利用光学设计软件Zemax设计了一款入瞳直径为1.1 mm,可匹配MEMS二维振镜±18°大扫描角度的近红外无限共轭微型显微物镜。该物镜总长小于23 mm,数值孔径为0.4,分辨率为1.26μm,工作距为900μm,各项像差校正良好,满足使用需求。设计结果表明,该微型显微物镜可满足便携式皮肤检测仪器的MEMS二维振镜激光扫描系统的应用要求。     

谐衍射红外双波段双焦光学系统设计

利用谐衍射透镜相关特性,结合中波红外、长波红外的特点,以及变焦系统的基本原理,成功设计了仅含有四片透镜的红外双波段双焦光学系统。设计结果表明,系统具有100%冷光栏效率,在3.7μm～4.3μm的中波红外波段,光学传递函数在18lp/mm时大于0.7;在8.7μm～11μm的长波红外波段,光学传递函数在18lp/mm时大于0.5,均接近衍射极限。     

红外变焦光学系统设计

对于320×256非制冷焦平面阵列探测器(像元尺寸25μm×25μm),设计了工作在8～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统。该系统在变焦过程中相对孔径不变,F/#为1,系统变倍比为3∶1,焦距50～150mm,光学筒长209.5mm。该系统由5片透镜构成,并且仅使用锗一种材料。该系统采用机械补偿的方法,通过引入非球面和衍射面,使系统结构简化,并且提高了成像质量。系统在空间频率为20lp/mm处,各个视场的MTF均在0.5以上。     

塑料非球面透镜在头盔3D显示中的应用

研究了塑料非球面透镜用于3D头盔光学系统中的特性,给出了具体的设计实例,并同传统Erfle目镜作了比较。设计结果表明,在保证有效焦距、出瞳直径、出瞳距离和视场角不变的情况下,Erfle目镜系统由原来的5片减少为3片,同时其材料的总厚度仅为24 mm,缩小为 Erfle目镜的1/3;质量仅为39 g,缩小为 Erfle目镜1/10;光学系统垂轴像差在0°视场最大值为20μm,60°视场为62μm,均比Erfle目镜有非常大的改善;场曲也有了较好的改善,从0.95降至0.25。 因此该目镜系统不但可以满足HMDs 式3D显示系统对视场、出瞳直径和出瞳距离的要求,而且在结构上更趋向轻、小,其像差特性亦可以满足目视系统的要求。     

红外无热化混合光学系统设计

分析了衍射光学元件在红外折/衍混合光学系统中特殊的热差特性,并利用衍射光学元件特殊的消热差和色散特性,设计并制成了3μm~5μm波段上适用于-45℃~60℃的红外无热化混合光学系统,且给出了测试结果。线扩散函数在80%能量内的光斑大小为33μm,接近一个像元的大小。温度测试结果表明,该系统在要求的较宽工作温度范围内性能稳定,像质优良,而且体积小,重量轻,结构简单。     

谐衍射中、长波红外超光谱成像系统设计

为了充分利用中波红外和长波红外的光谱信息,建立了谐衍射中、长波红外超光谱成像系统。利用谐衍射元件独特的色散特性,将谐衍射透镜应用于中、长波红外超光谱成像系统中,使系统在中波红外3.7~4.8μm和长波红外8.5~12μm的2个谐振波段内获取二百多个不同波长的图像信息。设计结果显示,在中波红外波段18lp/mm处,光学调制传递函数0.52;长波红外波段13lp/mm处,光学调制传递函数0.51;光学系统的点斑均方根直径在中波红外波段小于27μm,在长波红外波段小于34μm。得到的结果表明,光学调制传递函数在各个波长处均接近衍射极限,点斑的均方根直径完全可以与国内现有探测器的像元尺寸匹配。     

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。     

光阱位置操纵系统的研究

利用He-Ne激光器,在LEICADMIRBE倒置显微镜上建立了可对生物样品进行三维操纵的光镊系统。在光镊的研制过程中,我们重点对光阱的横向位置操纵系统进行了研究。理论分析及实验表明,利用平移反射镜及转动反射镜的方案均可实现光阱位置的横向操纵。本文对平移反射镜及转动反射镜实现光阱位置操纵的机理进行了详细的论述,并对操纵过程中保证光阱质量不发生变化的条件进行了理论分析和说明。此外,比较分析表明,与平移反射镜系统相比,转镜系统在光镊技术中的应用可加快光镊操纵速度、简化光阱位置操纵系统的复杂程度、有利于系统开发成本的减少及开发周期的缩短。     

可调焦离轴三反光学系统的装调

针对离轴反射光学系统的精密装调问题,提出了一种高精度空间交互测量以及基准传递系统,可实现调焦角度与系统光轴的高精度角度定位。该系统口径为450mm,可实现0.5km至无穷远的调焦,调焦角度精确定位后,只需调整无穷远处离轴三反光学系统的波像差满足要求,即可保证系统各个调焦位置处的波像差均满足设计要求,大大提高了装调效率。装调实验结果表明,无穷远处系统的波像差结果为0.09λ,1.5km处系统的波像差为0.1λ,2.5km处系统的波像差为0.11λ,0.5km处系统的波像差为0.2λ,均优于设计要求。     

小型可见光双视场光学系统的研制

基于光学设计基本理论,设计了一种体积小,跟踪范围可以达到整个前半球的可见光双视场光学系统.系统由前部集束系统,中间光路转折系统及后部成像系统3部分组成.集束系统采用望远镜式结构,用于改变光束的口径;光路转折系统采用库德光路,由4片反射镜组成,用于转折光路及扫描;成像系统由长焦成像系统和短焦成像系统组成,分别形成两个视场的像,用于目标识别与跟踪.光学系统焦距分别为60 mm和120 mm,设计传递函数在58 lp/mm处均大于0.5.加工装调后进行了成像试验验证,结果表明,该系统能够同时完成大视场及小视场的图像获取,在可视范围内成像质量满足系统总体要求.     

光学传递函数仪在红外光学系统装调中的应用

从光学系统装调中影响像质的误差来源出发,分析了光学传递函数仪的检测结果与光学系统装调误差之间的关系,讨论了光学传递函数仪在红外光学系统装调中的应用。实验证明,光学传递函数仪在红外光学系统装调中的应用是可行的。     

中波红外两档变焦光学系统

报道了一种用于320×240制冷型探测器的中波红外两档变焦光学系统。该系统采用二次成像、前组透镜轴向移动变焦的光学结构形式。根据探测器类型和实际的使用要求给出了系统的光学参数,并利用光学设计软件对系统的像质进行了的分析。结果表明,该系统可以实现焦距为180/60两档变焦,工作波段为3～5μm,F数为1.96,满足100％冷光阑效率,截止频率16lp/mm处的MTF值大于0.6,结构简单,使用方便,像质好。     

中波红外连续变焦光学系统

针对制冷式320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一个中波红外连续变焦光学系统。该系统由变焦物镜系统和二次成像系统构成,包括7片透镜,引入一个非球面,并采用两个反射镜折叠光路。利用变焦系统原理和光学设计软件给出了系统的光学参数和外形结构图,并对其像质和冷反射进行了系统分析。该系统可以实现50~500 mm的连续变焦,工作波段为3.7~4.8 μm,满足100％冷光阑效率。结构紧凑,像质较好,变焦行程短,变焦轨迹平滑。     

衍/折射光学系统校正二级光谱的研究

将衍射和折射光学元件结合,对星载用宽光谱(420.0～900.0nm)、长焦距(450mm)望远物镜的二级光谱进行了校正,计算了衍射透镜的结构尺寸和望远镜系统的像差.计算机模拟结果表明:采用衍/折射混合校正后的望远物镜的二级光谱不大于0.08mm,轴上点的位置色差也很小,实现了复消色差,光学传递函数也基本接近衍射极限.所设计的整个系统可以满足实用要求.     

共孔径消热差红外双波段光学系统

设计了适用于制冷型320×256中波红外凝视焦平面阵列探测器和320×256长波红外凝视焦平面阵列探测器的共孔径消热差折反射式红外双波段光学系统。该系统在中波3.7~4.8μm,长波7.7~11.7μm,环境温度10~40℃下工作,其焦距为292mm,视场角为1.56°×1.875°,F/#为1.93,满足100%冷光阑效率。设计的系统共用主镜、次镜和准直镜组,利用分光镜实现中波红外、长波红外光谱分光,后接各自的校正镜组校正剩余像差。给出了设计原理、设计过程和工程设计时需考虑的一些因素,通过选择合适的光学材料、机械材料和分配光焦度,实现了两路系统在10~40℃环境温度下具有良好的成像性能。该系统成像质量良好、可加工性好、装配难度小、工程可实施性强。