在光学扫描和光电检测系统中,为了实现远距离、大范围光束平移的目的,对由双五棱镜构成的光束平移系统进行精度分析,并利用自准直法对系统的平行性精度进行测试。其组件中两个五棱镜摆放位置相对于理论位置存在误差,导致系统中出射光与入射光不平行,利用自准直法对系统进行光学装调,以保证出射光与入射光的平行性。但该平移组件在工作时通过转动副绕入射光轴旋转,系统会相对于某一机械轴产生转动误差,导致双五棱镜系统坐标转换矩阵发生变化,出射光与入射光不再平行。通过分析五棱镜的方位误差和系统整体的转动误差与系统误差之间的非线性关系,建立数学模型,并利用仿真实验加以验证理论分析的正确性,最后提出减小系统误差的解决方案,将其组件平移精度控制到10″以内,为棱镜在光束折转时的误差分析提供借鉴。

为了使机械补偿的连续变焦光学系统可以连续、平稳地成像, 提出了一种减小变焦系统凸轮曲线压力角的方法.改变变倍曲线方程, 运用动态光学原理, 拟合的补偿曲线的压力角有明显减小趋势.原始设计变倍曲线的压力角为31.4°, 补偿曲线的最大压力角大于50°.运用插值法改变变倍组方程, 得到的变倍曲线的最大压力角小于37°, 补偿曲线的最大压力角小于23°, 得到的新的凸轮曲线满足曲线压力角小于45°的要求.实际光学系统检测的结果证明了这种方法的可行性.该方法可以有效地减小凸轮曲线的压力角, 实际变焦系统能够连续清晰地成像.

光轴平行性是多光轴光电设备的重要参数, 对其进行检测十分必要。随着光电设备复杂程度的逐步增加, 其光轴之间的距离不断增大, 传统的小口径检测手段已经不能满足现有光电设备的检测需求。针对大间距光轴之间的平行性的检测, 设计了一种基于双五棱镜结构的扩径组件, 实现了平行光管的出射光束的平移, 并利用双光楔结构对扩径组件进行修正, 将平行光管的有效口径由300 mm扩展至1 200 mm。对扩径组件进行数学建模分析和实际装调, 并对检测系统进行整体精度测试。实验结果表明: 平行光管出射的光束经扩径组件后能够保持良好的平行性, 其平行误差在11″以内, 满足大间距光轴检测的精度要求。

为满足高速飞行器对目标快速识别和打击的需求, 针对大观测场高速机载光电探测系统像质退化严重、像质补偿元件机构复杂、像差校正实时性较差的问题, 提出采用可变形反射镜作为动态像质补偿器对传统高速动态成像光学系统像质进行补偿和改进.利用基于像清晰化函数最优化的自适应光学动态像质补偿技术的优化算法对系统动态像差进行闭环实时校正, 通过仿真对所提出的方法进行可行性分析和验证.仿真结果表明: 与校正前相比, 该校正方法使光学系统在60°大角度观测场内泽尼克动态像差变化量的峰谷值最大下降17.5%, 点列图弥散斑均方根半径降低至10.61%, 校正后的系统残余像差小, 在整个观测场内, 像质均接近光学衍射极限.

在机械补偿变焦距光学系统中，通过利用变焦曲线控制变倍组与补偿组的移动来达到变焦目的.因此，为使变焦距光学系统在变焦过程中能够始终成像清晰且稳定，拟合出良好的变焦曲线是十分必要的.本文运用动态光学理论、CODE V和ZEMAX宏三种方法分别对一个20倍变焦距光学系统进行变焦曲线拟合，得到相应的运动曲线方程.根据所得到的三组曲线方程，随机选取若干变焦位置点，分别对这些位置点的光学系统离焦量、中心视场MTF和边缘视场MTF进行评价.数据分析表明，动态光学理论拟合出的变焦曲线在满足系统要求前提下更能够保证像面的稳定性.

在平行光路中，光学系统的光学元件的误差或微量运动可抽象为绕定点的微量转动，其成像关系可归结为在微量转动下物像共轭关系的依次迭代，利用光学系统这种动态成像关系的思想，建立一个统一的光学调整及误差分析的数学模型。利用此模型分析光通信系统中分光系统的机械安装误差对系统的影响，建立每个反射镜的机械调整坐标，从理论上指导分光系统中每个反射镜的机械调整，最终使通信激光发射系统和精信标激光接收系统的光轴平行度达到5″。

针对目前国内市场遥控**站遥控枪塔的CCD瞄准镜不能在整个焦距范围内任意视场进行瞄准射击的问题, 设计了一个前置分划板连续变焦CCD瞄准镜光学系统。它不同于一般的变焦系统, 该系统采用补偿组线性运动, 变倍组凸轮曲线运动的变焦方式来保证像面稳定。系统变焦比为5∶1, 在一定焦距范围内实现连续变焦, 并且通过采用分划板前置的方式, 实现了在整个焦距范围内任意视场都可进行瞄准射击, 瞄准精度稳定可靠。引入场镜组校正场曲, 成像质量较好。应用动态光学理论给出了变倍组、补偿组的变焦运动曲线解析式。结构紧凑, 变焦行程短, 变焦轨迹平滑, 像面稳定。

采用长波160×120元非制冷焦平面阵列探测器，设计了工作于8μm～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统，该系统具有大相对孔径，F数为1.2，变倍比10×，高成像质量等特点。系统使用锗和氯化钾两种普通红外材料，通过引入非球面校正系统轴外像差和高级像差，在中焦时采用平滑换根快速提高变倍比。系统在空间频率17lp/mm处，全焦距范围内调制传递函数（MTF）均在0.55以上，接近衍射极限；系统在接收半径17μm的探测器敏感元内，能量集中度大于72%，表明该系统具有良好的成像质量。

变焦镜头在校正像差的同时,还要求像面稳定,才能保证成像质量。采用机械补偿的方法,可以保证凸轮的准确性以使像面稳定,从而保证成像质量。首先应用动态光学理论推导出变焦光学系统的像移补偿组公式,从而得到像移补偿组的轨迹曲线。再根据推导得出的补偿曲线加工出凸轮机构,可对光学系统变焦带来的像移实现完全补偿。此外还给出三个变焦系统的设计实例,用来验证该方法的正确性和实用性。

动态光学是研究光学系统及元件动态成像特性的一门学科。稳像系统是动态光学系统的重要组成部分。稳像系统是为了维持图像的稳定、清晰,要求光学组元件按规定的要求做相对运动,从而实现图像的最终稳定、清晰。空间遥感成像的分析对于遥感器的运用至关重要。基于稳像理论――动态光学理论,进行了空间遥感器的成像面像移分析,分析结果与采用齐次坐标变换方法所得结论一致,不但证明通过齐次坐标变换方法得出的结果是正确的,而且说明采用动态光学的稳像理论解决以上问题物理概念更清楚,计算简便。同时对于类似的运动光学系统,稳像理论也具有很好的适用性。