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基于像方远心的红外目标模拟器光学设计

基于像方远心的红外目标模拟器光学设计

作者：王庆晨哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

红外目标模拟器在红外目标探测识别和半实物仿真等领域具有重要的作用,与景像生成器、红外热像仪、五轴转台等装置共同组成了半实物仿真系统,可以完成对红外目标的模拟和对探测装置性能的评估。使用电阻阵列作为景像生成器的红外目标模... 详细信息

红外目标模拟器在红外目标探测识别和半实物仿真等领域具有重要的作用,与景像生成器、红外热像仪、五轴转台等装置共同组成了半实物仿真系统,可以完成对红外目标的模拟和对探测装置性能的评估。使用电阻阵列作为景像生成器的红外目标模拟器在目前的应用最为广泛,但是一些红外目标模拟器光学系统采取的普通设计结构在使用中存在电阻阵列的冷反射问题,严重影响系统像质。为了解决这一问题,本文提出了一种基于像方远心光路的红外目标模拟器设计方法,主要包含以下内容:首先分析了基于电阻阵列的红外目标模拟器和冷反射问题的国内外现状,提出了一种利用像方远心结构解决电阻阵列冷反射问题的新思路。然后依据用户要求提出了系统设计指标,利用Zemax软件完成了像方远心与非像方远心两套目标模拟器光学系统的设计,并对光学系统进行了像质评价和公差分析。系统入瞳直径50mm,视场角±4°,波段3～5μm,焦距180mm。两光学系统的畸变、传递函数值都达到了设计要求;公差范围满足加工要求。完成系统设计后,对关键器件电阻阵列进行分析、选型与建模。分析了红外热像仪结构,提出了基于冷光阑效率最大化的整体系统设计方法,并在此基础上分析了电阻阵列冷反射问题产生的原因和利用像方远心结构解决该问题的具体过程。随后利用Tracepro软件完成了两种系统的整体冷反射建模与仿真。对比两系统仿真和计算结果,证明像方远心光学系统能够解决电阻阵列冷反射的实际问题,具有应用价值。最后对整体系统进行了镜筒结构建模和杂散辐射分析。给出了用于评价杂光影响的杂光系数和像面温差的计算方法。系统整体辐射透过率分析说明了透镜镀膜处理的必要性,杂光分析给出了系统各结构的杂光贡献比例,经计算,杂光系数与像面引入温差都满足实际要求。鬼像分析表明光学系统不存在鬼像。所设计系统的杂散辐射满足指标要求。

关键词：像方远心电阻阵列红外目标模拟器光学系统设计冷反射

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高分辨率像方远心连续变焦投影镜头的设计

红外与激光工程 2019年第11期48卷 202-209页

作者：邓强李升辉西安美术学院影视动画系陕西西安710065 华中科技大学工程实践创新中心湖北武汉430074

为了满足基于TIR棱镜的高分辨率工程投影机对高分辨率、高照度均匀性、长后工作距离及连续变焦投影的工作需求,设计了一种基于TIR棱镜的高分辨率像方远心连续变焦投影镜头。该镜头焦距为25~32 mm,F#为2.4,工作在可见光波段。该投影镜头... 详细信息

为了满足基于TIR棱镜的高分辨率工程投影机对高分辨率、高照度均匀性、长后工作距离及连续变焦投影的工作需求,设计了一种基于TIR棱镜的高分辨率像方远心连续变焦投影镜头。该镜头焦距为25~32 mm,F#为2.4,工作在可见光波段。该投影镜头具有靶面大、分辨率高、后工作距离长及照度均匀性高的设计难点,通过选择反远距的双高斯结构,控制像方远心度,通过采用不同材料搭配,并借助CODE V的玻璃专家优化功能,反复迭代优化,最终,得到满足使用要求的连续变焦投影镜头。结果表明:该镜头在连续变焦过程中各视场MTF值在72 lp/mm处不低于0.4,各视场RMS弥散斑直径小于8.5μm,畸变小于2%,短焦边缘视场照度均匀性大于95%。该连续变焦投影镜头采用全球面设计,结构紧凑,成像质量好,畸变、垂轴色差和照度均匀性都得到了较好的控制,可以很好地满足高分辨率工程投影机的投影需求。

关键词：投影镜头连续变焦像方远心垂轴色差照度均匀

基于AOTF成像光谱仪主动变焦前置光学系统设计

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光学学报 2023年第19期43卷 176-183页

作者：常凌颖王馨幼邱跃洪王冠儒石浩楠梁驰陈奎西安邮电大学电子工程学院陕西西安710121 中国科学院西安光学精密机械研究所西安710119

声光可调协滤波器(AOTF)成像光谱仪可同时获取探测目标的空间图像和光谱信息,具有体积小、质量轻、中心波长挑选灵活等优势。提出一种基于AOTF成像光谱仪组合变焦光学系统设计方案并完成了主动变焦前置光学系统仿真设计。该方案由主反... 详细信息

声光可调协滤波器(AOTF)成像光谱仪可同时获取探测目标的空间图像和光谱信息,具有体积小、质量轻、中心波长挑选灵活等优势。提出一种基于AOTF成像光谱仪组合变焦光学系统设计方案并完成了主动变焦前置光学系统仿真设计。该方案由主反式变焦前置系统和具有任意放大倍数的投影系统组成,可实现大变焦范围主动变焦成像。前置光学系统的初始结构由主反式变焦系统设计理论确定,利用同轴系统的离轴解和参数优化完成离轴三反远心结构的设计和系统像差校正,构建逐步逼近优化法实现主动连续变焦。在Code V中的仿真结果表明:前置变焦系统工作波段为0.5~1.7μm,变焦范围为260~520 mm,短焦处调制传递函数大于0.68@34 lp/mm,长焦处大于0.45@34 lp/mm,全场的均方根半径小于0.345μm,成像质量良好。

关键词：声光可调协滤波器成像光谱仪光学设计组合主动变焦离轴三反像方远心

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隧道路面检测光学系统设计

隧道路面检测光学系统设计

作者：张媛西安工业大学

学位级别：硕士

近年来,我国高速公路的规模以及覆盖面积正逐步增加,因此,高速公路隧道的总建设规模也在日益扩大。且隧道长期处于潮湿环境中,易产生路面病害,裂缝作为路面各类破损中最早期和最容易产生的病害之一,因此对于隧道路面裂缝病害的检测工作... 详细信息

近年来,我国高速公路的规模以及覆盖面积正逐步增加,因此,高速公路隧道的总建设规模也在日益扩大。且隧道长期处于潮湿环境中,易产生路面病害,裂缝作为路面各类破损中最早期和最容易产生的病害之一,因此对于隧道路面裂缝病害的检测工作就尤为重要。隧道路面裂缝检测光学系统能够搭载在高速行驶的汽车上,对一定范围的被检测路面进行均匀照明,并对路面信息进行采集成像。作为检测系统的图像采集模块,检测光学系统将直接影响着整体系统的检测精度。传统的隧道路面检测系统拍摄范围较小,对车辆行驶速度的均匀性要求较高,并且现有的检测系统在拍摄时采用的将相机架高架远的拍摄方式,会对车辆行驶和公路交通产生影响。因此,本文在保证检测精度的前提下,提出了一种倾斜的拍摄方案,所设计的光学系统能够在80km/h的速度下对5m×2.2m的路面裂缝进行图像采集,分辨率为1mm,并对相应的被检测路面实现均匀照明。具体研究内容如下:第一,对近年来国内外的隧道路面裂缝检测系统的发展历程和检测方法进行综述,对检测系统的成像和照明方案的研究动态进行分析总结,并结合路面检测的实际应用需求,对隧道路面裂缝检测的成像和照明系统进行方案的对比、分析及制定,成像部分采用像方远心镜头对路面进行倾斜拍摄,照明部分采用矩形LED阵列结合矩形复合抛物面聚光器进行二次配光实现对被测路面的均匀照明。第二,根据所制定的方案对像方远心光学系统的具体设计参数进行计算,并采用将反远距的初始结构逐步优化成像方远心光学系统的设计思路,使用评价函数对系统的结构参数进行约束,同时结合像差理论对系统的畸变等像差进行校正,最终得到了由11片透镜组成的光学系统,其中3片为非球面透镜,其焦距为9.6mm,F数为1.42,视场角为85°,总长为103mm,最大畸变为5.7%,全视场的光学传递函数在110 lp/mm处大于0.2,成像质量符合检测要求。对设计完成的光学系统进行公差分析,并对其机械结构进行设计。第三,根据所制定的方案及光照度、均匀性等需求,对照明系统的光源部分进行参数计算、选型及阵列排布,对矩形复合抛物面聚光器进行结构参数计算,将光源阵列和矩形复合抛物面聚光器结合成的照明系统与被测路面进行相对位置仿真,并结合评价函数对光源阵列排布方式和矩形复合抛物面聚光器结构参数进行优化调整,最终得到的照明系统对被测路面的照明能够达到的照度均匀性为84.24%,平均光照度为21135Lux,符合照明需求。对设计完成的照明系统进行公差分析及机械结构设计。

关键词：路面检测光学系统像方远心照明光学 LED阵列

基于渥拉斯顿棱镜的单路实时偏振成像系统设计

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物理学报 2016年第13期65卷 105-113页

作者：许洁刘飞刘杰涛王娇阳韩平丽周淙浩邵晓鹏西安电子科技大学物理与光电工程学院西安710071 东北大学计算机科学与工程学院沈阳110004

针对非实时成像中动态场景偏振探测产生的虚假偏振信息问题,充分利用渥拉斯顿棱镜的分光特性,设计了一种新型实时偏振成像系统.采用像方远心望远透镜系统、准直透镜系统并设计匹配的成像镜系统,在单探测器阵列上同时获取偏振态相互垂直... 详细信息

针对非实时成像中动态场景偏振探测产生的虚假偏振信息问题,充分利用渥拉斯顿棱镜的分光特性,设计了一种新型实时偏振成像系统.采用像方远心望远透镜系统、准直透镜系统并设计匹配的成像镜系统,在单探测器阵列上同时获取偏振态相互垂直的两幅偏振图像.通过全系统联动设计与优化,系统的调制传递函数在截止频率处不小于0.55,全系统弥散斑均方根半径小于5.3μm,即小于探测器像元尺寸,满足成像设计要求.仿真结果证明该成像系统可有效解决传统分振幅偏振成像系统的实时性差的不足,分孔径偏振成像系统的能量利用率和分辨率低的问题以及偏振焦平面方法中光路串扰的缺陷,应用前景广阔.

关键词：偏振成像渥拉斯顿棱镜像方远心单探测器

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空间红外大口径折射式低温镜头设计与验证

红外与激光工程 2020年第4期49卷 200-205页

作者：行麦玲刘义良裴景洋胡斌杨天远北京空间机电研究所北京100094

针对目标探测类空间红外相机大范围成像、高灵敏度探测、高精度定位等应用需求,文中提出采用像方远心光路和低温光学技术结合的解决方案,设计了物方视场角8°×8°、入瞳口径265 mm、工作温度200 K的像方远心折射式光学系统。镜头最大口... 详细信息

针对目标探测类空间红外相机大范围成像、高灵敏度探测、高精度定位等应用需求,文中提出采用像方远心光路和低温光学技术结合的解决方案,设计了物方视场角8°×8°、入瞳口径265 mm、工作温度200 K的像方远心折射式光学系统。镜头最大口径280 mm,采用多级分散的弹性支撑设计,解决大口径低温透镜装框、透镜组件支撑和镜头整体安装各环节的热应力卸载问题。在保证高刚度和低漏热的情况下,使低温下透镜的热应力对镜头能量集中度的影响降低到可接受范围内。镜头完成装调及室温下像质确认后,进行了力学振动试验,并将其制冷到200 K水平测试像质,测试结果表明,镜头能量集中度达到轴上75%,边缘视场72%。

关键词：低温光学大口径折射式镜头弹性支撑像方远心

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Offner型成像光谱仪前置光学系统设计

红外与激光工程 2013年第10期42卷 2712-2717页

作者：闫兴涛杨建峰薛彬马小龙赵意意卜凡中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术实验室陕西西安710119 中国科学院大学北京100049

针对Offner型成像光谱仪结构特点，总结了其前置望远系统的选型及设计原则；介绍了一种大视场、长焦距、像方远心离轴三反光学系统的设计方法；利用该方法优化设计了一款焦距800 mm，视场达8.6o×0.148o，工作波段0.9~5μm的星载Offner... 详细信息

针对Offner型成像光谱仪结构特点，总结了其前置望远系统的选型及设计原则；介绍了一种大视场、长焦距、像方远心离轴三反光学系统的设计方法；利用该方法优化设计了一款焦距800 mm，视场达8.6o×0.148o，工作波段0.9~5μm的星载Offner型成像光谱仪的前置望远光学系统。对其性能分析表明，在Nyquist频率16.7 lp/mm处，各谱段的调制传递函数值均在0.65以上，接近衍射极限，完全满足成像质量要求。同时证明了该设计方法可行，所设计系统结构紧凑，较易加工，适于空间遥感用Offner型成像光谱仪。

关键词：光学设计成像光谱仪推扫式像方远心离轴三反消像散

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三线阵立体测绘相机光学系统的调焦分析

光子学报 2014年第8期43卷 1-4页

作者：王红田铁印中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室长春130033

针对三线阵立体测绘相机CCD成像靶面偏离最佳像面位置,影响成像质量的问题,根据光学系统的设计参量,计算测绘相机的调焦准确度,分析像方远心光路对测绘相机调焦准确度及调焦对测绘准确度的影响.结果表明,光学系统的调焦范围为±2mm;当... 详细信息

针对三线阵立体测绘相机CCD成像靶面偏离最佳像面位置,影响成像质量的问题,根据光学系统的设计参量,计算测绘相机的调焦准确度,分析像方远心光路对测绘相机调焦准确度及调焦对测绘准确度的影响.结果表明,光学系统的调焦范围为±2mm;当采用像方远心光路,在允许离焦的范围内进行调焦时,产生的投影畸变可忽略不计.调焦后光学系统的成像质量、畸变要求满足高测绘准确度要求.

关键词：测绘相机测绘准确度光学设计调焦分析像方远心

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大相对孔径连续变焦前置物镜的光学设计

光学学报 2010年第9期30卷 2674-2679页

作者：陆强季轶群沈为民苏州大学现代光学技术研究所江苏苏州215006

根据所研制超光谱成像仪的性能指标和应用要求,设计可用作超光谱成像仪前置系统的连续变焦光学系统,具有相对孔径大、工作于可见光波段、中等焦长、光能利用率高和像方远心等特点。详细介绍变焦距光学系统的结构选型及其初始结构计算方... 详细信息

根据所研制超光谱成像仪的性能指标和应用要求,设计可用作超光谱成像仪前置系统的连续变焦光学系统,具有相对孔径大、工作于可见光波段、中等焦长、光能利用率高和像方远心等特点。详细介绍变焦距光学系统的结构选型及其初始结构计算方法。设计的变焦距光学系统采用机械补偿法,变倍比为4×,相对孔径为1∶2,在宽视场(8°)和窄视场(2°)端的焦距分别为55mm和220mm。系统畸变小于0.6%,在66lp/mm空间特征频率处的调制传递函数值大于0.5,能够满足超光谱成像仪的使用要求。

关键词：光学设计变焦距光学系统初始结构确定二级光谱像方远心超光谱成像仪