光学渐晕效应存在于大部分光学成像系统,严重影响成像质量。如何有效改善光学渐晕效应是航天光学遥感器设计的要点。采用辐射定标方法量化成像系统中光学渐晕效应的影响,并获得校正系数。采用多项式拟合方法对校正系数进行优化,拟合后校正系统减少约3个数量级,大大降低了对嵌入式系统存储资源的需求。通过多项式拟合方法有效减少了校正系数,对光学渐晕效应改善效果良好,校正前相机的非均匀性误差为13.2%,校正后非均匀性误差降至3.8%,满足一般成像系统对响应非均匀性的要求。该方法校正系数少,适合在基于FPGA处理器中实现,实时性强,资源占用少,具有工程实用价值。
信息处理 折反式光学系统 光学渐晕效应 二次多项式拟合 information processing refractive and reflective optical systems optical vignetting effect quadratic polynomial fitting FPGA FPGA
立方星具有发射成本低、周期短、尺寸小和功率小等优点，非常适合某些创新技术率先验证、星载一体化或者以分布式空间网络的方式提供遥感与通讯等服务，例如星座和编队飞行等。鉴于此，设计一个适用于3U立方星平台的相机光学系统。首先通过对不同光学系统结构进行对比分析，确定系统采用同轴折反式结构，该系统的焦距为460 mm，视场角为4°，工作波段为450~700 nm。然后通过分析系统的传递函数，得到系统口径与遮拦比之间的对应关系，确定口径为92 mm，F数为5。最后对系统进行优化，系统以卡式系统为原型，主、次镜为曼金镜，优化后各视场的像质均接近衍射极限，在奈奎斯特频率处传递函数优于0.3。
光学设计 光学系统设计 立方星 折反式光学系统 公差分析 光学传递函数分析 激光与光电子学进展
2021, 58(5): 0522002
1 苏州领锐源奕光电科技有限公司，江苏 苏州 215216
2 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
借助微分方法，提出光学系统内的消波段间色差和波段内色差条件，建立了扩展的复消色差理论，通过对比各自波段和全波段的折射率-色差系数，进行材料配对，并迭代优化校正各类像差。由此介绍了几种多波段共孔径光学系统的实现途径和具体设计实例，包括：透射式结构的宽波段及多波段成像物镜光学系统；透射式结构的中波/近红外二次成像变焦系统；透射式结构的中/长波红外二次成像变焦系统；通过反求工程（Reverse Engineering）设计了AN/AAQ-33“狙击手XR”吊舱采用的中波/近红外共孔径透射式前置望远系统主光路；AN/ASQ-228 ATFLIR吊舱采用的共孔径离轴三反射式消像散前置望远系统主光路；AN/AAS-52 MTS-B吊舱采用的同轴偏视场三反前置望远系统主光路；EKV采用的同轴四反二次成像系统；拓展介绍了采用同轴折反式前置望远+后置成像结构的光路结构，包括同轴折反式中波/短波/近红外和长/中/短波红外望远系统+后置分光成像系统的设计；以及一些典型弹载光学系统共孔径或共光路的设计。
光学设计 多波段 共孔径 折反式光学系统 前置望远系统 optical design multi-band common aperture mirror-lens optical system fore telescope 红外与激光工程
2020, 49(6): 20201017
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
随着光学测量与遥感领域的不断发展, 折反式光学系统对重量、体积和环境适应性等需求不断提高。基于增材制造技术的金属反射镜以其便于实现优化设计、快速制造和加工工艺性好等优点, 逐渐获得国内外学者的关注与研究。与传统金属反射镜相比, 增材制造金属反射镜可以提高反射镜的结构刚度, 同时可实现更高程度的轻量化。增材制造反射镜可以满足光学系统对环境适应性和快速性的需求。本文首先讨论了金属反射镜的评价指标; 其次, 综述了国内外在基于增材制造技术制备金属反射镜领域的发展现状和技术参数, 从增材制造金属反射镜的基体设计与制备和基体的后处理2个方面展开论述; 然后, 通过分析, 总结了增材制造金属反射镜的技术路线和关键技术; 最后, 对增材制造反射镜的应用前景提出了展望。
增材制造技术 金属反射镜 折反式光学系统 表面改性 定向散射 additive manufacturing technology metal mirror folding optical system surface modification directional scattering
设计了一种用于长波非制冷红外和半主动激光复合导引的共口径折反式光学系统。为了减小反射式系统的零件加工和装调难度, 将卡塞格林系统次反射镜简化为平面反射镜, 主反射镜采用金属抛物面, 优化目镜组透镜尺寸, 避免光路内部遮挡, 利用反射式系统一次像面, 配合红外材料选取实现红外通道的光学被动消热差设计; 在平行光路中设置平板分光和激光窄带滤光片, 提高系统分光效率和透过率。设计结果表明: 红外通道特征频率35.7 lp/mm处MTF＞0.2, 激光线性区为2°, 满足系统指标要求。
折反式光学系统 激光/红外双模导引头 光学被动无热化 激光线性区 catadioptric optical system laser/infrared dual-mode seeker optical passive athermalization laser linear region
1 中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学应用研究室, 陕西 西安 710119
2 陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西 西安 710119
设计了一种基于改良曼金反射镜的大相对孔径、大视场的光学成像系统,分析了改良曼金反射镜的像差,提出了改良曼金反射镜的设计方法。系统采用改良曼金反射镜和折反式光学系统结合的形式,相对孔径为1/1.8,视场角为4°×4°,工作波段为450~850 nm,焦距为380 mm,成像探测器像元为2 μm×2 μm的互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器,在250 lp/mm Nyquist频率处的调制传递函数值接近衍射极限且大于0.5。系统次镜采用曼金反射镜和消色差透镜结合的形式,基于系统初始结构初步优化分析所得的球差、正弦差,采用PW法求解出消色差曼金反射镜的光焦度;基于消色差条件和系统剩余色差,求解出消色差曼金反射镜3个表面的光焦度,计算得到了表面的曲率半径。系统的单色像差及色差均较小,成像质量好。
光学设计 大相对孔径 曼金反射镜 大视场 折反式光学系统
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了消除在实际飞行过程中温度变化对机载折反式光学系统成像质量的影响, 对该系统的光学元件、机械结构等部分进行热分析, 实现机载折反式光学系统的无热化设计。首先, 根据透镜的光焦度公式推导透镜的光焦度温度函数, 列出透镜组的消热差方程。接着, 在考虑支撑结构的影响时引入轴向放大率, 以此表现折反式系统部分元件间隔变化对系统焦距影响大的特点。最后, 结合前两者确定完整的消热差方程来指导无热化设计。仿真结果表明, 工作在486~656 nm波段, 焦距为1 850 mm的机载折反式可见光光学系统在0~40 ℃之间成像良好, 调制传递函数下降不到0.1。
无热化设计 折反式光学系统 轴向放大率 可见光波段 athermalization design mirror-lens optical system axial magnification visible light
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心, 北京 100081
视网膜投影显示(RPD)是头戴显示器(HMD)领域的一个研究热点,能够克服传统HMD辐辏聚焦矛盾(VAC)。为了使RPD小型便携化,以微机电系统(MEMS)扫描镜作为空间光调制器(SLM)设计制造了折反式激光RPD系统。首先,介绍了辐辏聚焦矛盾,分析了RPD的基本原理。通过传统的RPD光路结构,实验验证了以MEMS激光扫描投影作为图像源的麦克斯韦观察法原理的可行性,分析并解决了黑斑问题。接着,完成了RPD系统的光学设计,分析评价了系统的性能。最后,制造出小型便携式的原型机,原型机瞳距可调,视场角为30°(H)×22°(V),无畸变,并通过实验对其显示效果进行了验证。
光学设计 头戴显示器 视网膜投影显示 辐辏聚焦矛盾 折反式光学系统 光学学报
2017, 37(12): 1222001
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
传统的两镜折反式光学系统通常采用两片或多片均匀材料的球面校正镜校正同轴两反系统的剩余像差，为了减少校正镜组镜片数量甚至要引入带有非球面的透镜。采用的单片轴向梯度折射率校正镜即可以校正同轴两反系统的剩余像差，又可以减少校正镜片数。总结了轴向梯度折射率透镜和带有无光焦度校正元件光学系统的初级像差理论，研究了轴向梯度折射率透镜作为两镜折反式光学系统校正镜的设计方法。并且给出了采用单片轴向梯度折射率透镜作为校正镜，焦距为3000 mm，相对孔径为1/8，视场角为1°的两镜折反式光学系统设计。设计结果表明，系统最大视场波前RMS 值小于0.07 l，系统弥散圆半径接近艾里斑半径，在50 lp/mm 时的传递函数高于0.35，系统的最大畸变小于0.5，最大场曲小于0.2，系统像质接近衍射极限。
光学设计 两镜折反式光学系统 轴向梯度折射率透镜 校正镜 激光与光电子学进展
2016, 53(2): 022202
针对一种折反式光学系统相机遇到的消杂光问题,根据杂光计算结果对相机进行了消杂光设计,通过试验对杂光计算结果进行了验证,试验结果与计算结果吻合,验证了消杂光设计的正确性。进行消杂光设计后,相机的杂光系数满足设计指标要求,有效地减小了杂光对图像质量的影响。
折反式光学系统 杂光 光线追迹 图像质量 catadioptric optical system stray light design test
