中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621900
回顾了国外军队装备的四代光电瞄准吊舱的技术特点和发展历程，定义了光学口径和吊舱舱径之比（光舱比）作为衡量集成度的标准，重点针对第三代的Sniper XR ATP和ATFLIR两型采用共光路串联布局吊舱的探测系统进行了分析和正向设计：二者均拥有Φ150 mm口径，约1.5°×1.5°视场，在0.7~0.9 μm和3.7~4.8 μm波段的传递函数接近衍射限，前者为透射式前置望远系统，后者为离轴三反式前置望远系统，二者的结构布局为：前置望远系统置于吊舱前部压缩光束，通过光学铰链和快反镜将光束导入吊舱中，部分光进入各自的探测通道或激光发射通道。其中，类ATP的透射式前置望远系统可在汇聚光路中折叠形成俯仰/方位正交轴系并置于305 mm舱径内，光舱比约0.492；类ATFLIR的离轴三反式前置望远系统可在压缩后的平行光路中折叠形成方位/俯仰两个正交轴系并置于Φ330 mm的球体内，光舱比约0.455。作为对比，采用共光舱并联布局的第四代Litening 5和Talios吊舱探测系统将所有光学载荷和伺服框架平台置于吊舱前部的Φ406 mm球体内，光舱比约0.37，其并联共光舱设计架构的集成度较低。针对未来可能的升级要求，类ATFLIR吊舱比ATP吊舱具有更强的生命力，其采用纯反射式的前置望远系统可以更方便地增加波段和拓展功能。
光电瞄准吊舱 光学设计 多波段共光路 前置望远系统 EO targeting pod optical design multiband common optical path front telescope system 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230353
三明学院 机电工程学院, 福建 三明 365004
折反射式望远系统广泛应用于天文、航海等环境的观测需求。然而目前大部分的折反射式望远系统为提高其成像质量常采用非球面镜系统。由于非球面镜系统的镜头加工及组装等难度相对较高, 为避免此类问题, 论文利用Zemax OpticStudio光学设计软件设计一款具有易加工的全球面镜卡塞格林式望远系统。望远系统由一带孔的主反射镜、一次反射镜以及四个辅助透镜组成。其F数为2.6, 焦距为760mm, 工作波长在0.9~1.7μm, 线性拦光比为0.45, MTF值在频率35lp/mm内均大于0.5, 尺寸控制于Φ350×800mm以内。在上述技术指标的基础上, 该系统能有效地校正像差, 具有较好的成像质量。该结构方案有望为卡塞格林式折反射望远光学系统的设计提供新的思路。
光学设计 折反射式望远系统 成像质量 optical design catadioptric telescopic system image quality
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
为了减小手持双目望远系统的体积与质量,在单片多表面光学系统原理的基础上,建立了单片多表面望远系统的模型,构建了中心厚度与遮拦比的关系表达式,通过计算得到了系统的初始结构,并进一步优化出一款便携多表面反射式望远系统。该望远系统由单片透镜组成,光线在透镜中发生4次反射,各反射面均为偶次非球面。系统的工作波段为可见光,放大倍率为5×,透镜的基底为聚甲基丙烯酸甲酯,直径为15 mm,总长为5 mm,全视场为1.15°。优化后的镜头全视场波像差满足使用要求,光学传递函数(MTF)曲线平滑,在60 lp/mm处大于0.2,成像质量良好。通过将优化系统与传统的伽利略式望远系统进行对比,发现该系统满足市场对于便携式望远系统的需求。
光学设计 小型化 望远系统 环形孔径 折叠光路
西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710032
为提高激光搜跟器对地目标的搜索范围和成像分辨率，提出了一种机载平台下的共孔径激光搜跟器扫搜和跟踪目标的方法，并进行了光学系统的设计。激光搜跟器采用捷联的方式固定于飞行器上，提高了其稳定性；激光的出射和回波的接收，采用共孔径的R-C式反射望远系统实现，缩小了其整体尺寸，并提高了成像分辨率；扫描搜索目标采用双光楔组件实现，并提高了搜索频率和扩大了搜索视场；给出了双光楔旋转角和出射光偏转角之间的关系。设计结果表明，当系统通光孔径为φ300 mm，焦距为2 100 mm时，总体尺寸为685 mm，可扫描搜索视场为±5°，成像视场为±0.08°，成像点弥散斑最大为2.417 μm，系统MTF值在50 lp/mm时大于0.4，满足成像要求；当目标距离为3 km时，可搜索范围达到526 m，可实现对4 m大小目标的成像，成像分辨率为2″。
激光搜跟器 R-C望远系统 双光楔 laser tracker R-C telescopic system double optical wedge 红外与激光工程
2020, 49(11): 20200088
1 海军驻洛阳地区军事代表室，河南 洛阳 471000
2 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000
3 光电控制技术重点实验室，河南 洛阳 471000
利用一种新型“偏轴三反式”构型设计了多波段共光路望远分系统。该望远分系统具有大口径、放大倍率高、结构紧凑、装调难度低等特点。利用该分系统可以实现可见光、红外、激光接收的共孔径设计，适用于机载光电侦察设备。从同轴三反式结构出发，利用初级像差公式，得到系统初始结构。所设计的望远分系统的通光口径为240 mm，放大倍率为12。该望远系统后端可与焦距为110 mm，探测器为640×512@15 μm的红外会聚系统连接，使得红外系统焦距为1320 mm；也可以与焦距为121 mm，探测器为1920×1080@5.5 μm的可见光会聚系统连接，使得可见光系统焦距为1452 mm，实现可见光、红外共孔径设计。望远分系统设计实例表明，系统像质接近衍射极限，各像差均得到良好校正。
多波段共光路光学系统 望远系统 偏轴三反 光学设计 multispectral common-aperture optical system telescope optical system off-axis three mirrors optical design
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 中国海洋大学 信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033)
3 青岛市产品质量监督检验研究院, 山东 青岛 266100
设计了由超大口径前置望远系统和超大视场光谱仪组成的超大口径高光谱海洋水色仪.前置望远系统采用同轴三反光学系统结构, 口径为4 m, 视场为0.64°, 焦距为21.6 m, 波段范围为 400~1 000 nm.超大视场光谱仪采用改进的Offner结构, 视场为240 mm, 光谱分辨率为10 nm.探测器像元尺寸为15 μm×15 μm, 4片探测器交错拼接实现400 km幅宽.超大视场光谱仪在400~1 000 nm的宽波段内, 点列图半径的均方根值均小于3.9 μm, 静止轨道高光谱海洋水色仪全系统不同波长的MTF在33.3 lp/mm处大于0.52, 各项指标均满足应用要求.
光学设计 海洋水色 望远系统 光谱仪 分辨率 Optical design Ocean color fore-telescope Spectrometer Resolution
1 长春理工大学, 长春 130022
2 中国科学院光谱成像技术重点实验室, 西安 710119
3 吉林警察学院, 长春 130117
4 东北师范大学 物理学院国家级实验教学示范中心, 长春130024
5 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
大口径衍射望远系统由于使用透射式的薄膜衍射光学元件作为主镜, 不仅质量密度低(表面质量密度可以达到01 kg/m2), 同时面形精度要求宽松, 发射成本低。本文阐述了衍射望远系统的基本成像原理, 并推导出任意大口径系统的初始结构计算公式, 给出了口径为300 mm、系统焦距为2 m, 工作波段为058 μm到068 μm的系统设计实例并研制了原理验证系统, 进行了星点像以及分辨率板实验。成像结果接近衍射极限, 与设计结果相符。本文所做工作为大口径衍射望远系统的设计提供了良好的理论基础和初始模型结构, 能够极大地缩短设计周期, 提高成像质量。
薄膜衍射光学元件 衍射望远系统 超大口径 film diffractive optical elements diffractive telescope large aperture
1 长春理工大学 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
为了对望远光学系统实现横向超分辨成像, 设计了一种高斯特列尔比的二维多项式函数形式的位相型光瞳滤波器, 分析了其对光学系统焦点附近光强分布的有益影响。理论分析表明, 加入滤波器之后, 与无滤波器时相比系统横向光学分辨率提升了1.33倍, 同时斯特列尔比为无滤波器时的0.75倍。给出了该种滤波器与典型的三区型、四区型和一维多项式位相型光瞳滤波器的对比, 从对比结果可知, 二维多项式型滤波器的斯特列尔比为几种滤波器中的最优, 且其横向分辨倍率仅次于四区型滤波器, 但四区型滤波器的斯特列尔比过低, 不适合应用于望远系统。研究了入射光视场角对应用该种滤波器的望远光学系统成像效果的影响, 视场角不大于±4°时, 具有较佳的超分辨效果。
超分辨成像 光瞳滤波 高斯特列尔比 望远系统 二维多项式 super-resolution imaging pupil filter high Strehl ratio telescope system two-dimensional polynomial 红外与激光工程
2018, 47(4): 0418007
