设计了一种大视场空间光学探测系统,结合空间目标特性及探测器性能指标计算了系统参数,确定了系统的技术指标,实现了对空间255 km处目标9等星的探测。系统采用离轴三反式光学结构,工作波段为400~900 nm,焦距为64 mm,视场角为30°×30°。系统的主镜和三镜分别采用Zernike多项式和XY多项式自由曲面进行设计,对系统进行光线追迹获取了自由曲面的离散点数据,利用Matlab对获得的离散点进行拟合,得到了主镜和三镜的自由曲面面型。系统的能量集中度高,成像质量良好。

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统, 该系统焦距为2 000 mm, F数为12, 视场角为35°×1°, 主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计, 且主镜设计为凸面, 使子午视场达到35°, 进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数, 利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明, 全视场内该系统的光学传递函数在63 lp/mm处优于0.4, 弥散斑直径小于一个像元尺寸, 最大相对畸变小于3%, 波像差均优于λ/14, 系统能量集中度高, 成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势, 该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点, 适合大幅宽推扫成像.

基于复合式变焦系统结构, 提出了一种三组元连续变焦设计数学模型.在该模型的指导下, 针对中波制冷型15 μm、640×512的凝视型焦平面探测器, 设计了一款紧凑型高变倍比连续变焦光学系统.该系统工作波段为3.7~4.8 μm, F数为4, 利用该模型分配光焦度、计算初始点得到系统焦距变化范围为9~740 mm, 变倍比达80×.整个光学系统仅采用硅、锗两种红外材料, 共八片透镜, 利用二次成像方法及45°反射镜对系统进行了U型折叠, 在实现100%冷屏效率的同时有效控制了横向和纵向尺寸.完成了各动组凸轮曲线的优化设计和对比分析, 从光学传递函数、点列图、畸变、冷反射及环境适应特性等多方面对系统进行了分析.结果表明, 该系统具有变焦轨迹平滑、冷反射抑制特性优良、成像质量佳、环境适应性好及工程可实现性等优点.该数学模型的正确性和可行性也得到了验证.