空间相机离轴三反红外光学系统设计

针对空间光学系统长焦距、大视场、小型化、轻量化、大相对孔径、高成像质量的特点和发展趋势,通过对非球面反射式光学系统设计模型及其理论参数的研究分析,在共轴三反射式光学系统的基础上,提出了一种离轴三反射式红外光学系统的设计方法。利用ZEMAX求解并优化,设计一个焦距f=1000 mm,视场角为4,D/f=1/4的反射式离轴光学系统。使该系统在50 lp/mm空间频率处传函达到0.3以上,接近衍射极限,全视场弥散斑控制在10 m以内,满足空间照相机的需要。该系统克服了共轴三反存在中心遮挡的问题,提高了系统的像质。     

双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计

提出了一种双通道共用一个主光学的推帚式高光谱成像仪光学系统,该系统由离轴三反射主光学系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外光谱仪后光学和短波红外光谱仪后光学组成,设计中采用双通道共用离轴三反射主光学系统,不仅满足了成像仪大视场、宽谱段的要求,而且提高了系统的光学效率,使系统结构更加紧凑,双通道光谱仪均采用棱镜-全息透射光栅-棱镜分光组件分光,实现了宽光谱分光,提高了衍射效率,系统实现光谱范围覆盖450～2500nm,全视场达23.9°。     

大视场离轴三反光学系统设计

与传统折射光学系统相比,离轴反射光学系统具有小体积、轻量化和无色差等特点,因此被广泛应用于望远镜系统和空间观测系统等领域。随着目前自由曲面的广泛应用,首先分析了离轴三反光学系统的初始结构参数确定方法,然后在系统的主反射镜设计中引入Zernike边缘矢高形式的自由曲面,最终设计了一款有效焦距为700 mm,视场角为10°,F/#为4.5,系统总长为597.58 mm的离轴三反光学系统。该系统在71.4 lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均大于0.28,畸变均小于0.1%,结果表明,该系统在有效视场内成像质量较好。该系统的设计方法对类似的离轴三反光学系统设计具有一定的参考价值。     

成像光谱仪的离轴反射式光学系统设计

高分辨率成像光谱仪要求光学系统在宽视场和宽波段范围内具有高的空间分辨率和光谱分辨率。根据同轴三反光学系统初级像差理论计算初始结构,并分别将孔径光阑置于主镜、次镜和三镜焦点,通过光阑和视场离轴,设计了无中心遮拦的离轴反射式光学系统。其光谱范围为1.0~2.5 m,焦距f=1 600 mm,相对孔径为1/ 5,视场角为6.861.48,满足成像光谱仪宽视场、大相对孔径离轴三反消象散光学系统的设计指标。     

离轴三反光纤阵列激光三维成像发射系统

离轴三反光纤阵列激光三维成像发射系统中,大功率激光器发出的激光经阵列光纤分束,由光纤的芯径和单元发散角计算离轴三反光学系统的焦距,由光纤的数值孔径确定系统的入瞳直径范围,光纤阵列的长度决定了光学系统的发射总视场。离轴三反光学系统采用正向设计、反向使用的思路,将光纤阵列置于离轴三反光学系统焦面位置,反向追迹光线,可以得到光纤阵列上各元激光经光学系统后的高斯光束发散角大小和相邻元之间的角度关系。文中的设计实例实现了51元激光,每一元以20 rad的较小发散角出射,实例表明,该发射系统能实现多元激光微弧度量级的发散角出射,在目标面上形成间隔均匀、圆对称性良好的足印光斑。该发射系统在设计的发射总视场内,理论上不存在波束数的限制,这是区别于其他发射系统的另一优势。     

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。     

新型离轴三反射光学系统设计

对比反射系统中双反射系统和三反射系统各自的优缺点,提出一种新型的无遮拦两镜三反射光学系统。与现在常用的离轴三反射光学系统相比,该系统最大的优势是只用了两片非球面反射镜,减小了加工成本,降低了加工难度。分析了该种系统的具体设计步骤,设计了一个焦距为500 mm、视场为10.1、相对口径为F/5、系统筒长为125 mm的光学系统,像元尺寸选取10。由系统MTF曲线和点列图可以看出,成像质量接近衍射极限,可以为目前航天相机光学系统设计提供参考。     

自由曲面在离轴光学系统中的应用

针对自由曲面能提升成像光学系统的性能和校正像差的特点,分析了自由曲面在离轴光学系统中的应用优势。光学系统选用视场角为30°×11°、焦距为150 mm、F数为3的Cook-TMA。本设计中,离轴三反光学系统的主反射镜采用自由曲面设计。分析了使用Zernike多项式曲面在大视场离轴反射式光学系统中对离轴光学系统性能的提升效果,并与使用常规非球面的情况进行了比较,分析了自由曲面的优缺点。结果表明,自由曲面在提高离轴光学系统的成像质量方面具有更大的优势,系统的平均传递函数比常规非球面提升了15.9%以上,系统接近衍射极限。Zernike多项式曲面在离轴三反系统中的应用效果良好,系统的成像性能得到了较大的提升。     

矢量波像差理论在无遮拦三反光学系统设计中的应用

传统的无遮拦三反射镜光学系统设计是先设计轴对称反射系统,然后通过偏光瞳、偏视场或者两者结合的方法来实现系统无遮拦设计,系统中不可避免地用到了离轴非球面反射镜。以矢量波像差理论的相关结论出发,将反射镜的倾斜作为系统的优化变量,利用轴对称非球面反射镜实现了无遮拦三反射系统的设计。分析了此种系统的设计思路及步骤,设计了焦距为1 000 mm、视场角为1020、F数为10的三反射镜光学系统,系统结构紧凑,成像质量接近衍射极限。该系统与其他无遮拦三反光学系统相比,最大的优点是系统中的非球面均为轴对称反射面,极大地降低了系统成本。     

大视场像方远心离轴三反射镜光学系统设计

基于三反射镜的三级相差理论,通过自定义优化函数,并使用遗传算法寻找合适的三反射镜光学系统的初始结构参数,利用光学设计软件ZEMAX对初始结构进一步离轴优化,设计出了视场角为18°×0.6°,焦距为1700 mm,入瞳直径为200 m的像方远心离轴三反射镜光学系统。该光学系统无中心遮拦,成像质量接近衍射极限,适用于空间遥感领域。     

大视场红外成像探测系统实时信号处理技术研究

探讨了一种红外成像探测系统实时信号处理算法、硬件结构等关键技术.针对大视场红外探测系统,提出了适用于360°全方位红外目标搜索的实时处理算法原理和流程,并以高性能的数字信号处理器和FPGA芯片以及CPC I总线技术为核心设计了处理能力强、高速数据传输、接口可靠稳定的实时信号处理系统.实验测试表明,该系统工作稳定、可靠,满足总体性能要求.     

用于高分辨率光谱仪的离轴三反射镜光学系统的设计

面对空间遥感,尤其在目标特性的精细化识别中,要求成像光谱仪具有高灵敏度、高光谱分辨率与高能量通过力等优点．在同轴三反射光学系统的基础上,采用视场离轴方式,设计了一个三镜无遮拦全反射光学系统．次镜和光阑重合,无中间像,实现了高分辨率、大视场、长焦距的要求．光学系统的基本参数为：焦距f’=1600mm,视场角为2w=18°×0．148°,相对孔径为1／10,3个反射面均为二次曲面．设计结果表明,成像质量接近衍射极限,用此方法设计的光学系统在航天遥感领域具有很好的应用前景．     

离轴天线在卫星激光通信系统中的应用

现有卫星激光通信终端通常采用同轴两反天线结构,该结构存在接收视场小、发射效率低等缺点。为消除同轴两反结构存在的固有缺陷,提高卫星激光通信系统的瞄准和捕获效率,研究了利用离轴三反结构提高卫星激光通信系统的性能。首先根据基本像差理论,推导得到离轴三反光学结构的初始结构方程。利用离轴结构具有更多设计参量的优势,对离轴三反结构进行优化设计,给出了设计实例。计算机仿真得到的光学传递函数、点列图、衍射包围圆能量和波前误差等均表明:离轴三反结构与同轴两反结构相比,具有更加优异的性能,能够满足卫星激光通信系统不断提升的性能要求。     

考虑空间电荷场的Orotron的大信号理论研究

本文讨论了Orotron的大讯号计算中空间电荷的影响。首先推导出直角坐标系统中,当一个边界为无限大时的空间电荷场的近似表达式,然后利用这一空间电荷场模型,计算了Orotron的自洽的大信号相互作用,讨论了空间电荷参量对器件性能的影响。     

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。     

基于红外波段的大视场谐衍射透镜设计

针对目前光学设计中,通过增加光学元件数量、限制视场角等方法来平衡像差,导致光学系统较复杂的问题,提出了一种基于红外波段的大视场谐衍射透镜设计方法。使用光学设计软件Zemax进行光学设计,使用DLL编写了一种可以自定义的表面面型,使用这种表面进行分区优化,并结合标量衍射理论进行了成像效果分析。结果显示,所设计的谐衍射透镜具有21°的视场角,截止频率(以0.1作为对比度极限)为11.4 lp/mm,并通过实验验证了该透镜的大视场单透镜成像的可行性。     

大视场线结构光两轴测量系统

提出了一种由CCD摄像机、线结构光投射器和两个回转工作台构成的大视场线结构光2轴测量系统。通过两个回转工作台的转动使线结构光平面扫过被测物体1周,在1次装夹下测量出物体的1周全貌。首先建立了由二维摄像机像面坐标系向被测物体转台坐标系变换的数学模型;利用标准球作为标定器具,根据线结构光平面中标准球的球心坐标和2转台转角可确定1个"共轭对",利用多组"共轭对"求出了系统模型中的未知参数;从而根据两个回转工作台分别转动的角度和CCD二维图像可获得线结构光平面上点的三维数据。实验结果证明,这种方法具有较高的测量精度,能在1次装夹下完整测量结构复杂物体的1周全貌,同时具有视场大、结构简单和成本低的优点。     

基于FPGA 的大视场图像实时拼接技术的研究与实现

鉴于目前普遍采用软件方法获得大视场视频图像操作不便且实时性受限的缺陷,研究并设计了一种基于FPGA的可编程技术来实现多个摄像头视频数据实时拼接的大视场成像系统。系统通过APTINA公司的彩色CMOS图像传感器MT9M034获取原始视频图像信息,以Xilinx公司的Virtex-5系列FPGA为核心完成视频数据的实时采集、缓存、拼接及传输。图像拼接部分首先对原始图像进行亮度差异自动调节的预处理以提高整体的拼接效果,然后利用相位相关法完成相对平移量信息检测,对原始图像进行配准,最后采用线性加权融合算法对相邻两幅图像的重合区域进行融合处理,使拼接之后的大视场图像达到渐进渐出平滑过渡的效果。实验结果表明,该成像系统简单可靠,有效地增大了可观测视场,经过拼接处理之后的大视场视频图像清晰度高、实时性强,具有一定的代表性和实用性。     

基于卡塞格林系统的激光测距接收光学系统的设计

针对远程激光测距系统的轻量化、小型化需求,采用了大口径卡塞格林物镜光学系统,达到了用较小的发射功率实现较远的目的,同时加入了与视场匹配的视场光阑,来抑制杂散光对探测能力的影响。通过合理优化布局,平衡系统横向尺寸与主次镜遮挡比需求,最终采用了8×望远系统与大相对孔径的聚焦系统组合的结构方式,优化后的系统成像质量好,结构紧凑,重量轻,满足实际应用需求。     

大型光电跟踪系统的调焦控制

大型光电系统在对运动目标进行成像或跟踪时，要求其光学系统的焦距能够根据探测目标的距离进行实时调整，使得目标能够清晰志成像在光学系统的探测器靶面上，便于系统对探测到的目标图像数据进行后续处理。