针对传统的多波段分布孔径式光学系统体积大、不同波段目标存在差异等问题,选择了折射式光学系统,提出共用孔径、棱镜分光的光学设计方法,实现可见光与长波红外同时成像。设计了可见光、长波红外共光路的折射式光学系统,使用能够透射可见光、长波红外波段的材料实现光路完全共用一组透镜,光学系统采用光学被动式无热化设计。设计实例表明: 在可见光工作波段0.55~0.75 μm,长波红外工作波段7.5~9.5 μm,两个波段焦距为120 mm,F数为2.8。可见光传递函数在空间频率90 lp/mm处在0.5以上,长波红外传递函数在空间频率17 lp/mm处在0.4以上,在-40~+60℃工作温度范围内消热差。

针对现有的LED照明系统体积大、结构复杂、工作距离短的缺点, 提出一种轻量化、均匀性好、能够实现远距离照明的单颗LED投影系统的设计方法。从照明设计理论出发, 结合非成像设计和成像设计方法, 设计了由单颗大功率LED、聚光镜、孔径光阑和投影物镜组成的投影照明系统。聚光镜对LED出射的光线进行匀化并会聚于照明面位置, 投影物镜将照明面处的光斑投影到指定距离的接收面上。系统采用全透射式结构, 便于加工和装调; 单颗大功率LED作为光源能够有效减小系统体积和质量。实验结果表明: 系统能在3 m~3 km范围内形成均匀度大于90%的照明, 成像质量良好, 投影面畸变小于5%, 能满足远距离均匀照明投影的要求。

为了得到性能好、稳定性高, 能够满足民用、**等领域应用的中波红外成像光学系统, 采用光学被动式的无热化技术, 在常温下像质良好的初始结构基础上, 通过对不同红外材料组合, 实现系统的无热化设计。利用等效温差(NITD)计算冷反射贡献量, 对冷反射贡献量较大表面的曲率和光焦度进行优化。设计结果表明: 在-40℃~60℃温度范围内, 光学系统的MTF在30 lp/mm处均大于0.5; 离焦量在一倍焦深以内, 点列图(RMS)直径小于像元尺寸; 冷反射残存量最大的表面NITD值降低40%。应用该方法可以很好地实现红外成像光学系统的无热化设计, 对冷反射的抑制效果明显。

为了提高分幅相机的像面一致性, 从分孔径和分振幅两种分幅方法的原理出发, 分析了物体辐射特性影响像面一致性的原因.基于光纤传像器件匀光作用, 提出了一种提高像面一致性的方法, 并以棱锥分孔径实现六分幅为例, 在LightTools软件中仿真了光纤面板厚度、纤芯直径、光线入射角度等参量对像面一致性的影响.结果表明, 当光束主光线在光纤前端的入射角在±15°内变化时, 增大光纤面板厚度或减小纤芯直径, 可使得六幅像面能量差小于0.3%.基于光纤传像器件的棱锥分幅结构, 可有效提高分幅相机的像面一致性.

为满足数字超高速成像需求, 提高相机的时间分辨率, 设计了一种工作于350 nm~800 nm宽波段的八分幅相机光学系统。该系统采用光阑外置的会聚光分光结构, 可同时获得同一物面的八幅相同图像, 针对光学系统后截距、像方数值孔径等重要光学参数对像面照度差的影响、宽光谱成像的色差校正等问题进行了分析。在Code V中对中继镜头进行设计优化, 像面大小可达26 mm, 像方MTF在40 lp/mm时对比度达0.5以上, 畸变小于1%, 分幅后系统像面照度差在±10%以内。模拟结果表明: 八分幅相机光学系统各幅图像一致性较高。