在航空遥感领域中, 双波段光学系统是最具代表性的光学系统。与单一波段光学系统相比, 双波段系统可以同时探测到背景信号和目标信号, 从而获得更准确的信息。采用离轴反射系统这一方案与折射系统相比, 在满足更长焦距的同时, 又能实现光学系统小型化的目标。本文提出一种基于自由曲面的反射系统作为设计蓝本, 能够获得如下优点: 视场角更大, 光路容易折叠, 系统成像质量高, 能够达到高分辨率成像以及系统的轻量化设计。本文采用动态光学理论对系统初始结构进行求解并通过对系统元件的倾斜与偏移计算获得离轴系统, 系统引入自由曲面获得更加优质的成像质量。系统参数如下: 焦距为 2000 mm, 相对孔径为 1/2, 视场角为 6.×1., 工作波段为 3～5 .m与 8～12 .m, 选用法国 Sofradir公司生产的红外双色焦平面阵列非制冷型探测器; 设计结果表明, 加入自由曲面后系统的成像质量得到了明显改善, 系统在整个工作波段内 MTF值在 14 lp≥0.3。

根据客户指标设计了一种手持式微光夜视瞄准镜的光学系统, 能够满足昼夜两用。首先根据客户指标计算了光学参数, 选取了CMOS探测器件和显示屏, 然后设计了微光物镜和目镜, 最后的像质评价结果表明, 光学系统成像质量良好, 可以满足实际工程使用需求。

为提高航空相机识别目标能力,设计了一种应用于全景式航空侦查相机的可见光/红外双视场成像光学系统,可见光光学系统焦距为200 mm/400 mm,相对孔径为1∶8.8,视场角为9.4°×7°/4.7°×3.5°。红外光学系统焦距为117 mm/234 mm,相对孔径为1∶4,视场角为9.4°×7.5°/4.7°×3.76°。该光学系统利用物像交换原则采用轴向移动变倍方式,设计结果表明,光学系统成像质量接近衍射极限,可以满足实际使用需求。

为提高航空侦查识别目标能力以及满足部队全天候作战需要, 设计了一种应用于全景航空侦查相机的可见光/红外双视场成像光学系统。可见光光学系统焦距为165 mm/660 mm, 相对孔径为1: 8.8, 视场角为9.1°×6.8°/2.3°×1.7°; 红外光学系统焦距为75 mm/300 mm, 相对孔径为1: 4, 视场角为8.3°×6.2°/2.1°×1.6°。采用有限焦距光学系统前面加一个望远系统的方法实现变倍, 根据红外器件及可见光器件的像元尺寸计算出红外系统及可见光系统的奈奎斯特频率分别为33 lp/mm和91 lp/mm。在33 lp/mm处, 红外光学系统大、小视场的MTF值分别为为 0.35和0.37, 在91 lp/mm处, 可见光光学系统大、小视场MTF值分别为 0.41和0.4, 成像质量接近衍射极限, 表明光学系统成像质量良好, 满足实际工程使用要求。

首先根据客户提出的要求,对小型无人机载物镜的光学指标参数进行了计算,从而得到物镜的光学设计指标,然后依据指标设计了一款焦距为52.5 mm、相对孔径为F/2、视场角为12°、奈奎斯特频率为286 lp/mm的可见光波段折射式小型无人机物镜,接收器件选用单个像元尺寸为1.75 μm的CMOS器件,采用“小像差互补理念”降低了光学系统的公差灵敏度,然后对设计结果进行了公差分析。公差分析结果表明很好的满足了光学设计指标要求。

基于初级像差理论提出了一种降低系统公差灵敏度的方法，即通过控制光学系统各元件表面的初级像差值以“小像差互补”达到像差平衡。首先阐明“小像差互补”含义，然后通过理论公式指出了初级像差与公差灵敏度的关系，最后举出一个航空相机光学系统的设计实例，通过对其“大像差互补”与“小像差互补”两种设计结果进行公差分析，结果表明利用“小像差互补”理念设计的光学系统使得公差分配宽松，提高了系统的稳定性，极大的降低了成本。