红外与激光工程
2022, 51(1): 20210986
1 昆明物理研究所, 云南 昆明 650223
2 华中科技大学光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
3 云南师范大学物理与电子信息学院, 云南 昆明 650500
基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪。首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号。然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正。最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400~900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm。
光学设计 中阶梯光栅光谱仪 宽波段 高分辨率 离轴三反光学系统 光学学报
2021, 41(22): 2212001
1 哈尔滨工业大学 空间光学工程研究中心，黑龙江哈尔滨5000
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130031
3 中国科学院大学，北京100049
光学系统的最终性能不仅取决于其理论设计结果，更重要的是取决于光学系统建造过程中对于面形加工、装调位置和系统稳定性等误差因素的控制。为了探究反射式光学系统误差敏感度的影响因素及规律，以同轴两反式光学系统作为研究对象，提出了采用失调误差引起的光程变化量作为光学系统误差敏感程度的评价标准，理论推导了由反射镜位置失调因素引起的光程变化量的数学解析表达式，通过一套标准Ritchey-Chretien系统，并应用光线追迹的方法，计算了在各项失调扰动情况下所产生的实际光程变化量，与理论推导值对比，相对误差均在1%左右，证明了光程变化量理论表达式的正确性。在光程变化量理论研究的基础上，提出并建立了基于光程变化量作为评价准则的同轴反射式光学系统降敏设计方法。以一个焦距为5 600 mm的同轴两反系统为例，通过15轮迭代优化，设计了同时满足光程变化量与波像差指标的光学系统，并通过光程变化量与波像差改变量的关系，验证了光程变化量作为敏感度评价标准的正确性和降敏设计方法的有效性。
光学设计 反射式光学系统 敏感度 降敏设计方法 光程变化量 optical design reflective optical system sensitivity desensitization design method optical path variation
1 莆田学院机电工程学院，福建莆田 351100
2 厦门理工学院光电与通信工程学院，厦门 361024
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。
离轴三反光学系统 光学设计 大视场 自由曲面 Zernike多项式 off-axis three-mirror reflective optical system optical design large field of view free-form sur. face Zernike polynomial
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
大视场离轴反射光学系统可以获取丰富的信息资源,是未来空间光学系统的发展趋势。自由曲面在离轴反射光学系统中的应用可以增大系统视场,但大视场自由曲面离轴反射光学系统初始结构较少,优化过程复杂,设计难度大。提出了一种大视场自由曲面离轴反射光学系统设计方法,首先基于矢量像差理论与费马原理直接获得成像质量较好的无遮拦自由曲面初始系统,再对其进行简单优化即可得到最终的大视场自由曲面光学系统。该方法可以降低大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计难度。设计了一个大视场自由曲面离轴三反光学系统,光学系统视场为30°×3°,F数为2,验证了所提方法的有效性。
几何光学 离轴反射系统 自由曲面 大视场
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室, 吉林 长春 130022
车载平显系统(HUD)可以让驾驶员更快速地查看车速、导航等相关信息,缩短驾驶视觉盲区时间,减少交通事故,改善驾驶体验。为加快车载HUD的普及,研究基于数字微镜元件(DMD)的微型投影系统,并以符合车身结构的反射式光学系统为核心,给出了仿真模型。借助投射投影屏,图像多次反射后进入人眼,形成位于挡风玻璃前端的虚像。设计目标显示,虚像距离为2.5 m,驾驶员不需要改变视距便可查看图像内容;水平可视范围为140 mm,垂直可视范围为60 mm,得到眼睛在不同位置看到的图像的光学传递函数,均接近衍射极限,表明图像清晰,设计效果较好。图像视场角为水平12°,垂直6.75°,在不干扰驾驶员视线的情况下提供了足够的显示面积。
光学设计 光学系统 车载平显 软件仿真 反射式光学系统 微型投影 激光与光电子学进展
2018, 55(11): 112201
1 中国航天系统科学与工程研究院, 北京 100048
2 北京空间机电研究所, 北京 100076
3 安顺学院, 贵州 安顺 561000
应用于对地观测的高分辨同轴三反式系统对光学装调有着严格的要求, 光学元件的失调量和由装配应力导致的面型误差都会严重影响系统成像质量。该方法通过镜面受力分析和光学系统仿真指导系统装调, 以某商业遥感卫星搭载的同轴三反式镜头装调过程为例, 分析失调量和面型误差的像差特性。通过分析光学元件失调量和面型误差与系统像散、彗差以及球差的关系, 并利用系统波像差的均方根(RMS)作为系统像质的评价标准, 得出各个光学元件失调量和面型误差对系统成像质量的影响权重。根据计算结果进行针对性调校, 使系统各视场的平均RMS值收敛为0.06λ以下。经过多台同类镜头装调结果验证, 证明该方法切实有效, 可缩短装调周期, 提升装调精度。
光学遥感 镜头装调 光学仿真 反射式光学系统 optical remote sensing lens alignment optical simulation reflective optical system 红外与激光工程
2018, 47(9): 0918002
合肥工业大学 光电技术研究院，安徽 合肥 230009
为实现地平式离轴扩束光学系统的高精度装调，利用4D干涉仪加装平面镜头配合标准平面镜实现自准直检测，并针对实际使用过程中镜筒需要绕俯仰轴旋转的问题，提出一种动态检测方法。根据实际装调结果，建立空间直角坐标系，利用旋转过程中光斑最大偏离量计算二轴正交误差。装调结果表明，采用自准直检测及动态检测方法，主镜面形精度为0.028 8λ@632.8 nm，系统波像差RMS为0.131λ@632.8 nm，二轴正交误差为2.06″。
激光技术 光学调试 自准直检测 离轴扩束系统 反射式光学系统 laser techniques optical alignment self-collimation detection off-axis beam expanding system reflective optical system
对于远距离、大视场、多个运动目标的光电跟踪,现有光学系统形式难以同时兼顾大口径、大视场与高角分辨率的要求。通过模仿人眼小凹转动视觉生理机制,设计了一种轻型物方扫描校正镜组,具有中红外成像与激光测距的共口径同轴五反式新型光学系统。该光学系统主镜口径为1000 mm,瞬时扫描有效口径为600 mm,最大视场角达到20.7°,中波红外成像传感器像元角分辨率优于13 mrad,激光测距单元作用距离达到20 km。该新型光学系统具有大视场范围,可同时对6个以上远距离高速运动目标进行跟踪。
几何光学 反射式光学系统设计 同轴五反 小凹转动 三维成像 大视场 多目标
1 长春理工大学, 吉林 长春 130012
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
3 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130061
针对舰载光电跟踪系统反射式主光学系统的防护问题, 提出了一米量级尺寸的窗镜、镜框的设计、制造和检测的方法。首先, 对窗口材料的性能及强度进行分析, 依据内外压差、自身重量以及旋转惯性力对窗镜强度的影响确定其最小的厚度。其次, 依据指标要求分析设计窗镜、镜框的形变对窗镜等光程差的影响以及其环境适应性。然后, 采用等光程非平面的修磨方法对带镜框的窗镜进行加工及检测。最后, 成功研制出直径φ1 032 mm, 厚度80 mm, 通光口径φ1 010 mm 的融石英材料的窗口玻璃镜, 等光程差为RMS=0.062 8λ@632.8 nm。结果表明, 该窗镜能够对舰载光电跟踪系统反射式主光学系统进行有效的防护。
光电跟踪系统 窗镜 光程差 反射式主系统 photoelectric tracking system optical window Optical Path Difference(OPD) reflective optical system
