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大口径红外成像系统的光学设计

光学学报 2003年第12期23卷 1475-1478页

作者：潘君骅苏州大学现代光学技术研究所苏州215006

推导了以反射式两镜系统为主体的红外成像系统中满足光瞳匹配要求的转像透镜的高斯光学参量与两镜系统参量的关系式。当选定红外焦平面的冷屏直径及到焦面的距离后 ,转像透镜与两镜系统的高斯光学参量之间必须满足这个关系式 ,才能做到... 详细信息

推导了以反射式两镜系统为主体的红外成像系统中满足光瞳匹配要求的转像透镜的高斯光学参量与两镜系统参量的关系式。当选定红外焦平面的冷屏直径及到焦面的距离后 ,转像透镜与两镜系统的高斯光学参量之间必须满足这个关系式 ,才能做到光瞳匹配 ,这就是冷屏为系统的出瞳 ,而入瞳是主反射镜的口径。消像差由主镜、副镜的非球面及转像透镜上的一个非球面承担。用实例计算验证了所推导出的公式的可靠性 ,红外系统的口径取为 2 50mm ,红外接收器的冷屏直径为 5mm ,冷屏到红外像面的距离为 2 0mm。两镜系统主镜的曲率半径选定为-10 0 0mm及 -80 0mm两个值 ,两镜系统焦距为 2 0 0 0mm ,150 0mm及 10 0 0mm三个。

关键词：红外成像系统光学设计光瞳匹配高斯光学参量冷屏转像透镜消像差

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一种高性能双视场长波红外光学系统

红外技术 2017年第5期39卷 394-398页

作者：何红星赵劲松唐晗徐参军陶亮康丽珠昆明物理研究所云南昆明650223

设计了一款高性能的紧凑型双视场长波红外光学系统,该光学系统由前固定组、变倍调焦组、后固定组、中继组组成。采用机械补偿变焦方式、光瞳匹配技术、二次成像和二次折叠,有效地对光学系统纵向和横向尺寸进行了约束,外形包络在220 mm×... 详细信息

设计了一款高性能的紧凑型双视场长波红外光学系统,该光学系统由前固定组、变倍调焦组、后固定组、中继组组成。采用机械补偿变焦方式、光瞳匹配技术、二次成像和二次折叠,有效地对光学系统纵向和横向尺寸进行了约束,外形包络在220 mm×95 mm(局部135 mm)×50 mm(局部110mm)范围内,系统紧凑,体积小。通过光学和结构材料的优选搭配及光学系统参数优化配置,在-40℃~70℃范围内,控制了光学系统热差,光学系统光轴稳定,小视场光轴稳定性光轴平行性光学系统的热像仪性能高,MRTD(3 cyc/mrad)=0.07 K,NETD=30 m K。设计结果表明光学系统像质良好,满足热像仪使用要求。

关键词：双视场光学系统长波红外机械补偿光瞳匹配

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高光谱成像技术研究

高光谱成像技术研究

作者：解娜长春理工大学

学位级别：硕士

光谱成像技术是一种新颖的多维成像技术,由光学二维成像技术和光谱分析技术相结合而形成,可以同时探测到目标的空间信息和光谱信息。其中,高光谱成像技术一直是国内外研究的重点。高光谱成像系统由前置成像系统和高光谱分光系统两部分... 详细信息

光谱成像技术是一种新颖的多维成像技术,由光学二维成像技术和光谱分析技术相结合而形成,可以同时探测到目标的空间信息和光谱信息。其中,高光谱成像技术一直是国内外研究的重点。高光谱成像系统由前置成像系统和高光谱分光系统两部分组成。本文围绕曲面棱镜Offner型高光谱成像系统,从前置成像系统和高光谱分光系统两部分展开对高光谱成像技术的研究。基于几何像差理论的研究,讨论了系统结构、色散元件参数对高光谱分光系统的像差影响,及色散元件材料特性对系统谱线分布非线性的影响。通过以上研究及分析,分别设计了色散元件为一次透射和二次透射式的两种曲面棱镜Offner型高光谱分光系统,并完成了像质分析及热稳定性分析。基于消色差、消热差基本理论的研究,分析并建立了一种复杂透射式长焦距光学系统的无热化模型,提出了一种基于权重分组进行材料挑选的光学系统无热化设计方法——1+∑法。在常温下满足像质要求的光学系统基础上,计算每一片透镜产生色差及热差能力的综合权重,通过比较权重进行初始结构的分组、等效及光学材料挑选,从而实现无热化设计。依据此方法及与光谱分光系统衔接时光瞳匹配的特点,完成了前置成像系统的初始结构设计和无热化设计。该方法极大地简化了光学系统无热化设计方法,可避免机械补偿或光学变焦补偿像质,能够使复杂透射式长焦距光学系统在大温差环境保持光学性能稳定。针对应用场合,进行了高光谱成像系统的一体化设计与热稳定性分析。本文中设计的高光谱成像系统工作波段为400nm000nm、数值孔径为0.167、平均光谱分辨率为4nm,共有150个光谱通道,前置成像系统焦距300mm。实现了在0℃40℃温差环境下的高像质、高光谱分辨率的成像要求。

关键词：光学设计光谱成像无热化设计光瞳匹配航空遥感

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基于分孔径的全偏振光同时成像光学系统设计

基于分孔径的全偏振光同时成像光学系统设计

作者：任志广陕西师范大学

学位级别：硕士

随着科技的不断进步,制空权和制天权在空天陆一体化的军事体系中扮演着越来越重要的角色。空间探索时空间碎片对航天器的威胁、间谍卫星对领土的窥探及天基武器等潜在威胁使得发展空间成像技术迫在眉睫。对空间目标的成像识别和辨认主... 详细信息

随着科技的不断进步,制空权和制天权在空天陆一体化的军事体系中扮演着越来越重要的角色。空间探索时空间碎片对航天器的威胁、间谍卫星对领土的窥探及天基武器等潜在威胁使得发展空间成像技术迫在眉睫。对空间目标的成像识别和辨认主要是通过天基成像技术实现。作为传统成像技术两大主力的光度成像和光谱成像在复杂宇宙环境中存在不足,前者对于伪装目标的识别略显吃力,后者易受宇宙辐射的干扰。因此传统成像技术难以满足对目标的轨道信息、目标本身表面材质、结构和目标态势的精准识别。相较于传统的光强成像系统,偏振光成像系统不仅可实现长焦光学系统具备目标识别的功能,由于引入了偏振度等多维信息,对于目标识别的准确性也显著提升;同时由于偏振光学系统在实现光强分析的基础上,通过计算仿真可得到空间目标的边缘效应信息、表面材质信息以及表面粗糙度等信息,因而可以通过仿真技术还原空间目标的特性并可实现精确的三维建模,达到Jason准则中技术分析的高级阶段。为了实现对检测区域内空间目标的成像识别和技术分析,提出了一种基于传统地基偏振成像系统的空基紧凑型分孔径成像光学系统。该光学系统的有效焦距为2000mm,相对孔径为1/10,单个像元大小为10μm,单幅探测器大小为512×512。本文提出了基于功能拆分系统然后单独设计子系统的设想。将离轴光学系统转化为共轴光学系统,简化设计难度并提高评价标准的准确性;基于共轴成像理论,完成子系统评价标准的界定及理论计算,提出子系统结构的计算方法。文中设计的系统按功能拆分为望远物镜组、缩焦准直物镜组和成像物镜组三个共轴子系统,前置远摄物镜组用于收集空间目标信息,准直物镜组的压缩光路是成像物镜组收集目标信息的前置系统。基于光瞳匹配理论,将光系统的光学参数逆向分解为三个子系统的光学参数;完成子系统结构形式优缺点分析,确定各子系统结构形式;基于同轴像差了理论,以各像差赛得和系数及MTF曲线等为优化指标,完成子系统光学系统设计。为减小子系统拼接后残余像差累积值,文中提出先将前置两组子系统作为共轴无焦系统进行二次优化,再基于光瞳匹配理论完成无焦系统与成像子系统的合理拼接的优化方案,最终完成偏振成像光学系统设计,避免总系统作为非回转对称光学系统优化的难题。以当前科技条件下的加工和安装精度为依据,采用系统子午和弧矢MTF曲线作为公差分配合理性评价的指标,完成对光学系统预置公差的分配,优化公差分配的合理性,使系统在截止频率处的MTF能够满足中国航天相机的设计标准;完成光学系统焦深对MTF曲线影响地分析,使其满足设计需求;基于优化所得光学系统结构参数,设计系统机械结构和主次镜的遮光罩,完成系统在0.1°～80°范围杂散光地仿真追迹,归纳整理数据计算得到系统各通道的PST值并绘制曲线。综合以上结果表明,该成像系统公差分配合理、可靠性好以及成像质量良好,可以实现对成像范围内的高分辨成像,为后期技术分析提供良好的硬件基础。

关键词：全偏振成像分孔径光学设计光瞳匹配杂散光分析

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高准直高辐照度太阳模拟器的设计与仿真分析

高准直高辐照度太阳模拟器的设计与仿真分析

作者：宋培宇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

太阳在众多科学领域有着很重要的地位,例如航天、气象、太阳能等领域,太阳模拟技术均具有重要的科学意义。太阳模拟器作为模拟太阳光辐照特性的重要设备,可以在地面上模拟与真实的太阳光在光谱分布、准直性、辐照度、稳定性、均匀性等... 详细信息

太阳在众多科学领域有着很重要的地位,例如航天、气象、太阳能等领域,太阳模拟技术均具有重要的科学意义。太阳模拟器作为模拟太阳光辐照特性的重要设备,可以在地面上模拟与真实的太阳光在光谱分布、准直性、辐照度、稳定性、均匀性等光学特性相接近的辐射光源。对于空间光学系统的杂散光测试、太阳敏感器的地面试验等需求,均需要一种高度符合太阳光准直特性(准直角32′)和高辐照特性(1353W/m2以上)的太阳模拟器,而现有的太阳模拟器均不能很好的满足以上性能指标要求。本文深入研究了高准直、高辐照度太阳模拟器的关键技术,主要的研究工作包括以下几部分内容:首先,列举常见的系统类型,归纳其优缺点,确定结构类型并阐述了系统组成及工作原理。论述了太阳模拟技术常用的基本概念和指标要求。根据技术指标要求,选取同轴透射准直式结构,由光源系统、聚光系统、匀光系统、视场光阑、准直系统等组成,并对其工作原理及成像关系进行了分析。其次,根据本文指标要求分析关键技术及难点,确定光学系统设计的评价指标,并进行光学系统设计。对系统的工作原理分析可知,高准直性和高辐照度不能同时满足的原因在于能量利用率的降低,因此本文以提高能量利用率作为光学系统设计的评价指标,以光瞳匹配作为设计准则。依据功率估算等多方面指标对光源进行选择,短弧氙灯为最理想选择。同时分析氙灯的各方面特性,指导后续光学系统部件的设计。提出组合聚光镜方案,突破传统方案的限制,提升整体系统的能量利用率。选择光学积分器作为匀光部件,提出新型成像关系,以能量利用率等依据确定系统参数。确定视场光阑及准直镜的参数,从提高准直精度的角度对准直镜进行优化设计。最后,建立系统模型,利用仿真软件分析系统关键参数对性能的影响,并仿真系统的整体性能。提出新型氙灯建模方法,以更好的模拟氙灯辐照的空间分布和角度分布。建立太阳模拟器的光学模型,进行对比仿真分析,以确定关键参数如匀光棒方案、氙灯离焦、投影镜离焦、光学积分器口径、成像关系等对系统性能的影响,得到最佳设计结果。分析结果表明,系统满足各方面指标要求,并且能量利用率大幅度提升,解决了高准直、高辐照度太阳模拟技术中的技术难点。

关键词：太阳模拟器能量利用率组合聚光镜光瞳匹配光学积分器

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同轴收发卡式系统加入平板后的像差校正研究

应用光学 2018年第6期39卷 796-802页

作者：张凯迪李季雷震中国科学技术大学安徽合肥230026 中国科学院南京天文仪器研制中心江苏南京210042 中科院南京天文仪器有限公司江苏南京210042

在卡式系统的后光路中加入倾斜的平板,实现同轴透射端可见光的接收及反射端红外光的发射。该卡式系统口径为400mm,焦距为4 000mm,视场为±1.5′,加入平板后会给系统造成较大的像差,为了达到系统设计要求:角分辨率小于1″,MTF曲线在35.7l... 详细信息

在卡式系统的后光路中加入倾斜的平板,实现同轴透射端可见光的接收及反射端红外光的发射。该卡式系统口径为400mm,焦距为4 000mm,视场为±1.5′,加入平板后会给系统造成较大的像差,为了达到系统设计要求:角分辨率小于1″,MTF曲线在35.7lp/mm处高于0.6。分析了倾斜平板产生的像差,对比不同材料和厚度的平板对像差的影响。通过加入偏转的双胶合透镜校正像差,但该方法会使系统的出瞳位置发生变化,从而提出使用偏转三胶合透镜保证出瞳位置的校正方法,并对加入的透镜进行公差分析,最终达到设计指标。

关键词：光学设计卡式系统平行平板像差校正光瞳匹配