使用ZPL宏指令辅助设计离轴三反射镜系统

由于离轴三反射镜系统拥有视场大、无色差、适用温度范围宽、对材料无限制、无中心遮拦、可轻量化设计等一系列优势,在航天遥感中正被越来越广泛地应用.结合常用光学设计软件ZEMAX的Macros功能,通过将自己编写的ZPL宏指令加入系统评价函数中来限制离轴三反优化过程中的挡光问题,并给出了具体的设计、使用步骤.     

大口径宽光谱折射平行光管系统设计

介绍了大口径、宽光谱、折射式平行光管物镜的设计理论。结合项目设计实例：工作波长范围400nm~1100nm,焦距2000mm,相对口径1/10的折射式平行光管系统,论述了光学设计初期玻璃材料选取、初始结构选取与光焦度分配等问题。利用修正的相对部分色散P与阿贝数V建立复消色差方程组求解初始结构,使用Zemax软件优化设计出在全谱段范围内复消色差的平行光管系统。最后,给出Zemax软件分析的像差结果,系统中心视场内的点列图优于5μm ,中心波长波像差优于1/60λ,焦距色偏移量为0.33mm,其余像差均在设计指标之内。     

长焦距宽视场离轴三反光管设计

针对大口径、长焦距、宽视场平行光管高像质的应用需求, 提出一种采用离轴三反射镜结构的平行光管。从共轴三反理论出发, 推导出系统的初始结构;并且在用zemax软件优化时, 提出一种基于ZPL语言优化离轴量的方法。设计出一个焦距10 m, 视场21的离轴三反平行光管。设计结果表明, 系统像质接近衍射极限, 全视场波像差RMS值优于/200(=632.8 nm), 系统总长度小于f'/3, 为大口径、长焦距、宽视场光管设计提供了一种设计方法。     

大口径长焦距反射式偏瞳平行光管光学设计

对共轴卡塞格伦(Cassegrain)系统和偏瞳Cassegrain系统进行对比分析并指出其缺点.偏瞳Cassegrain系统的视场一般比较小,为增大视场、提高像质,提出将偏瞳两镜系统的次镜偏心和倾斜的方法,并用矢量像差理论简单分析了含有偏心与倾斜元件的系统的初级像差.结合实例分别设计出2种形式的光学系统.对比设计结果可以看出:该方法可以增大系统视场,提高像质,得到比较好的设计结果.     

一种新型多波段大口径平行光管的设计

平行光管是光学仪器装调、检测领域常用的标校设备.随着目前光学仪器向着大口径、长焦距、多波段方向的发展,仪器的口径与焦距都远远超出常规平行光管的适用范围.因此,为了保证其检测精度,需使用超出常规的平行光管,这就给光学加工,尤其是机械支撑提出了很高的要求,针对此问题提出了一种新型的大口径平行光管的设计,在传统平行光管应用原理的基础上,采用一种分体式软连接新型机械结构,该设计结构不仅可以降低长焦距、大口径光管的分段连接难度,而且减轻了整个光管的质量,从而可以很大程度上提高检测、装调的效率,降低制造成本.     

大视场、大口径双波段红外非制冷光学系统

军事和安全应用都需要利用红外探测技术来进行目标跟踪和搜索.由于红外或热成像系统探测的目标辐射能量低,因此需要光学系统具有强的集光能力;另外,用凝视方式可以获取大场景红外图像以去除传统的机械扫描装置,这要求红外光学系统具有足够大的视场.该工作研究的光学系统视场大于60×3.5度,F数F/1~F/2.5.采用了离轴三反射镜光学系统,系统结构简单,成像质量达到衍射极限.     

基于1.06/1.54μm激光的离轴折反式平行光管物镜设计

设计了λ1=1.06μm,λ2=1.54μm,f=1000mm,D=167mm,2ω=0.6°的平行光管物镜,由于系统要求低成本、中心无遮拦且结构简单紧凑,故采用离轴折反射结构形式.初始结构中,主镜采用抛物面反射镜,在其成像光束中加入一个光焦度为零且有空气间隔的同种材料组成的双透镜组,消除了正弦差.同时为了减小补偿透镜组的口径,使它们适当地靠近像面位置.利用ZEMAX优化结果表明传递函数达到衍射极限,完全满足设计要求.     

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。     

大线视场大相对口径红外成像系统的光学设计

在同轴三反射光学系统基础上,采用视场离轴方式,设计了一个在地球同步轨道上对地观测的空间离轴三反射光学系统.该系统同时具有大线视场和大相对口径的特点,设计结果表明,成像质量达到了衍射极限.     

离轴反射式平行光管在红外性能测试中的应用

离轴反射式平行光管已广泛应用于红外成像系统的性能测试中, 测试方法种类繁多, 并且还在不断地推陈出新。基于工程实践, 介绍了以离轴反射式平行光管为主要组成的测试环境;分析计算了红外靶标的特征频率和角直径, 通过红外性能指标的理论定义引出具体的测试方法, 并依据测试方法得出测试结果;评价了测试结果反映出的红外热像仪的特性。     

大口径离轴折反式中波红外连续变焦系统设计

基于制冷型320240凝视焦平面阵列探测器,设计了大口径离轴折反式中波红外连续变焦光学焦系统。系统工作波段为3.7～4.8 m,焦距范围250～2 000 mm,F数为4。光学系统分离轴无光焦度系统和透射式连续变焦系统两部分设计,匹配对接后优化。解决了透射式连续变焦系统因材料限制不能做到大口径、共轴折反式连续变焦系统短焦遮拦比大和离轴三反不能做到100%冷光阑效率的缺陷。满足100%冷光阑效率,在空间频率16 lp/mm处系统的MTF值大于0.5,具有像质好,分辨率高等特点,满足设计要求。     

一种反射共孔径式激光测距光学系统设计

基于激光测距系统的基本原理,结合反射系统的光学特性,引入光学环形器,设计了一种全反射共孔径式激光测距系统,激光发射系统与激光接收系统共用一个4倍望远系统,激光发射系统在其基础上后接一个5倍望远系统,激光接收系统在基础上后接一个激光聚焦光学系统。对系统进行公差分析与可靠性分析,确定了其加工材料、加工方法以及加工与装调上的精度与实际应用的可行性。为了节约加工成本,缩短加工周期,降低装调难度,系统较多使用二次曲面。整个系统成像质量好,能量集中度高,结构紧凑,重量轻,满足实际应用需求。     

光轴竖直大口径长焦距平行光管热设计

工作在真空罐内的平行光管的工作环境特点决定了其与空间光学遥感器相同的热设计原则,光管的结构形式对工作温度提出了严格要求。首先,确定光管结构表面的热控涂层和多层隔热材料的包覆方式;其次,光管热设计的关键是加热区设计,设计了两种加热方案,从可实施性和加热功耗大小对两种方案进行了比较;最后,对最终的热设计方案进行仿真分析。结果表明:平行光管光机结构的温度水平可控在19.3~20.8℃,主镜温度为19.5℃,满足设计要求,验证了热设计方案的可行性,可对其他同类型的地面光机结构的热设计提供借鉴。     

大口径反射镜轻量化及其支撑结构设计

为了满足大口径(800mm400mm)矩形轮廓反射镜的结构稳定性设计要求,采用背部3点支撑方式,基于Bipod原理,为某超宽覆盖空间的相机主镜设计了一种新型柔性支撑结构。分析了反射镜各结构参量对其质量和刚度的影响,选取其中影响较大的参量作为设计变量,对镜体轻量化结构进行了优化设计,并进行了有限元分析。结果表明,优化设计后的反射镜组件具有较好的力学适应性、温度适应性和动态刚度。振动试验结果与有限元分析结果相符,证明了其准确性。     

一种大相对孔径成像光谱仪前置物镜设计

Offner型成像光谱仪具有结构紧凑,成像质量理想的优点,为了提高光谱分辨率,实现更多谱段的光谱成像,需要分光成像系统有强的集光能力,即需要大的相对孔径;为了消除折射材料的影响,提高光栅利用效率,系统应该全反射无遮拦,为此选用离轴三反射镜系统作为它的前置物镜。离轴三反射镜光学系统具有无色差、光谱范围宽、无遮拦、像差矫正能力强和对温度不敏感等优点,可作为成像光谱仪的理想前置系统。根据该成像仪的技术要求,得到系统F数为F/2.47,焦距为360mm,视场角为2.5°。通过优化设计,得到了一个大相对孔径的离轴三反射镜前置物镜系统。该系统相对孔径大,光能利用率高,成像质量达到衍射极限,特别是次镜采用球面,大大降低了制造检测难度和成本。     

动态目标模拟离轴三反光学系统的设计

以同轴三反像差理论为基础,运用仿真软件确定满足设计要求的初始结构参数,基于三镜同轴,入射光束离轴,主镜和三镜顶点相交的光学设计理念,设计出一种易于装调、精度保证的离轴三反光学系统。该系统结合数字微镜器件目标生成器为装甲车辆提供动态实时模拟目标。该光学系统的工作波段为200~1200nm,焦距为2800mm,视场为2°,入瞳直径为350mm。设计结果表明,本光学系统最大相对畸变为0.1056%,各视场的波像差均优于λ/40(主波长λ=636.3nm)。在70lp/mm下,本系统的调制传递函数(MTF)均优于0.54,接近衍射极限,成像质量好,满足无穷远动态目标模拟需求;对加工和装配进行公差分析后可知,光学系统的MTF值大于0.4。     

离轴四反射镜光学系统设计

与一般光学系统相比,航空遥感光学系统具有长焦距、大口径、宽波段等特点。因此,广泛使用反射式光学系统。常见的离轴三反系统已不能满足系统小型化、轻量化的要求。介绍了一种无中心遮拦的离轴四反射镜系统,由离轴三反系统改进而成,结构更加紧凑。带一次中间像面的离轴三反系统的中间像位于次镜和三镜之间,为了进一步折叠光路,在中间像面处加入球面反射场镜,从而成为离轴四反。分析了离轴四反的设计步骤,设计了一个焦距为1 200 mm,视场为0.8°×0.8°,相对孔径为F/6的光学系统,系统总长只有300 mm,并达到很好的光学性能,具有长焦距、小尺寸、良好的杂散光抑制能力等特点。     

大相对孔径紧凑型非制冷光学系统消热设计

对常用光学被动消热技术措施进行了归纳总结。针对长波非制冷光学系统大相对孔径、高透过率、小型化和良好环境适应性等特点,基于640×512大面阵非制冷探测器的应用,利用CODE V光学设计软件,设计了一个焦距f＝70 mm,视场角为10.44°×8.36°,F数为0.85,总长为85 mm的三片式光学系统。在－50～70℃温度范围内,所有视场的MTF 值在25 lp／mm处均大于0.61,光学畸变小于0.5％,光学系统成像质量良好。公差分析结果表明光学零件加工和光机装配工艺成熟稳定,光学系统设计具有良好的工程可研制性。