Ritchey-Chretien(R-C)光学系统广泛应用于航空和航天等远距离探测领域,因其视场较小,所以通常采用附加光学元件的方法实现大视场成像,但这会导致结构复杂,不利于系统实现小型化和轻量化。鉴于此,提出一种R-C系统间接成像方法。首先分析系统的像差特性,接着基于波前像差理论和Zernike多项式构建波前模型,然后通过傅里叶变换建立PSF模型,最后结合反卷积算法处理图像。在仅采用主、次镜的情况下,可以实现R-C系统大视场成像。对焦距为1300 mm、全视场为0.9°和F数为4的R-C光学系统进行仿真模拟。模拟结果表明,所提方法的MTF在频率为40 cycle/mm处平均提升约为0.25,成像质量显著提升。

环境温度的变化会引起光学系统产生热离焦现象,导致系统像质不稳定。由于材料的限制,在深紫外波段内,光学系统的无热化设计过程和结果十分复杂。因此,提出了拆分设计和单层衍射光学元件相结合的方法实现深紫外光学系统的无热化设计。该方法首先求解了消热差、消色差方程组,并用结果对深紫外光学系统进行拆分再组合,简化了无热化设计过程。然后在组合系统中加入单层衍射光学元件以简化设计结果。用该方法对焦距为110 mm,F数为3.5,温度为-60~100 ℃的深紫外侦察相机镜头进行无热化设计,得到的系统在奈奎斯特频率为18.5 lp/mm处,调制传递函数均大于0.65。结果表明,该方法能解决深紫外透射式光学系统在宽温度范围内的热离焦问题,同时能提升系统的光学性能。

卡塞格林光学系统的结构严重限制了视场,通常需添加辅助光学元件来扩大视场,但将导致系统结构复杂,不利于光学系统的小型化、轻量化。提出一种计算成像设计方法,首先优化系统结构参数,控制像差;然后构建系统的点扩展函数模型;最后采用反卷积算法处理图像。所提方法仅利用主、次镜结构就扩大了卡塞格林系统的视场。对F数为5.5,焦距为470 mm的卡塞格林系统进行仿真实验,实验结果表明,在1.5°视场范围内,处理后图像的轴外视场调制传递函数在20 lp/mm处提升了约0.2,图像质量得到明显提升。

传统单层衍射元件的衍射效率在入射波长偏离中心波长时急剧下降,因此在宽波段红外系统中应用时会导致成像模糊。通过分析视场对含衍射元件系统点扩散函数(PSF)模型的影响,提出了减小视场影响的光学-数字联合设计方法;该方法通过将优化的权重赋予不同的衍射级次,使系统的PSF不随视场变化,同时将单层衍射元件中心波长设计在中波,在长波波段利用所构建的PSF模型通过图像重建达到双波段成像的目的。采用该方法设计了红外双波段折衍混合系统,在中波波段,该系统在17 lp/mm处的MTF为0.7;长波重建图像在主观上明显清晰,多个图像质量评价函数均有所提高。结果表明,该设计方法可以实现单层衍射元件在红外双波段上的应用。

基于双波段系统的多层衍射光学元件(MLDOE)的带宽积分衍射效率(PIDE),建立其与入射角度和基底材料关系的数学模型,提出一种双波段斜入射多层衍射光学元件基底材料的选择方法,并通过该方法选择出双波段多层衍射光学元件基底材料的最佳组合方案。方法的提出以及数学模型的建立,解决了光线斜入射时基底材料选择不当导致多层衍射元件衍射效率和带宽积分衍射效率下降的问题,为多层衍射元件在多波段和宽波段系统中的应用提供理论指导。依据该方法,设计了适用于中波红外3.7~4.8 μm(MWIR)和长波红外7.7~9.5 μm(LWIR) 双波段的多层衍射光学元件,并利用该衍射元件设计了10倍中长波折衍混合双波段红外变焦系统。结果表明,该系统在中波红外奈奎斯特频率处的调制传递函数(MTF)均大于0.52,在长波红外奈奎斯特频率处的MTF均大于0.35。

杂光系数是评价光学系统成像质量的重要指标之一。一般情况下,杂光系数只有在光学系统加工完成之后,才能运用实测方法得到,且如果实测结果不理想,需对光学系统的杂光抑制方法进行调整以增强其抑制效果。针对上述问题,提出了一种在光学设计阶段求得杂光系数的方法。该方法运用光学仿真软件TracePro为光学系统建模、分析和光线追迹,运用数学分析软件Matlab对仿真结果进行拟合,最终求出杂光系数。该方法的优点是将杂光系数的分析与计算提前,准确评价光学系统的杂光抑制能力。

提出了一种基于权重分组的可见光波段光学系统的无热化设计方法。基于常温下满足像质要求的光学系统,计算了每一片透镜产生色差及热差能力的综合权重,通过比较权重进行结构分组,将初始系统等效成两个单透镜系统以进行光学材料的挑选。对焦距为400 mm、F数为4的双高斯型航空相机在-40~+60 ℃的温度范围内进行了无热化设计。在各个温度下,该系统在空间频率为55 lp/mm处的调制传递函数值均大于0.4。研究结果表明,该方法能使长焦光学系统在大温差环境下保持较好像质,光学性能稳定。

提出了一种子波段缝合光学玻璃组合的选择方法,通过最小二乘法求解复消色差方程,得到了能有效校正三级光谱的最优化玻璃组合。基于该组合设计了一个宽波段长焦距光学系统,该系统的波长范围为0.45~1.014 μm,焦距为400 mm,F数为6,全视场角为10°。系统共有3种光学玻璃,7片球面透镜,调制传递函数(MTF)接近衍射极限。研究结果表明,所提方法可以在复消色差光学系统中实现三级光谱残差的校正。

基于多层衍射光学元件的位相延迟表达式, 提出了单点金刚石车削影响下的多层衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学模型, 并给出了相应的分析表达式.以基底材料分别是硒化锌和硫化锌构成的多层衍射光学元件在近红外波段(1.4~2.5 m)的应用为例进行分析.结果表明表面粗糙度会导致多层衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的明显降低, 从而降低了混合成像光学系统的成像质量.因此, 单点金刚石车削衍射元件时, 要根据使用需求制定合理的表面粗糙度加工误差.