单一红外波段的光学系统在无人机对地侦察时接收到目标信息量较少, 也易受环境的影响甚至无法探测到目标, 严重影响了侦察的效率。分析了多波段红外光学系统成像原理及设计方法, 最终选取反射式结构形式设计了一款焦距为50 mm、全视场为12°×10°的离轴三反红外光学系统, 该系统可用于短波红外成像、中波红外成像, 以及长波红外成像。各个波段各个视场下, 该系统的MTF值在奈奎斯特频率30 lp/mm处均接近或达到衍射极限, 其弥散斑RMS值小于探测器的像元尺寸, 各项指标均满足成像质量要求, 扩大了无人机载系统的探测波段范围, 提高了系统的侦察能力。

基于单色像差理论,确定同轴三反光学系统的初始结构参数,通过二次曲面系数为0的偶次非球面的高次项之间的平衡,校正离轴系统引起的非对称性像差,同时结合DMD(数字微镜器件)目标生成器,设计出一款采用离轴三反光学系统的平行光管,为坦克承载的被测光电设备提供室内模拟目标。本光学系统的设计指标是工作波段为0.2~1.2μm,有效焦距为3000mm,全视场为2°,F数为8。结果表明,系统各视场的波像差均优于λ/34(主波长λ=0.6328μm),传递函数MTF均优于0.71@36.5lp/mm,接近衍射极限,成像质量好。对系统进行公差分析之后,系统的传递函数值远优于0.6@36.5lp/mm,合理的公差分配使系统加工难度降低,装调检测更加方便容易。

以同轴三反像差理论为基础,运用仿真软件确定满足设计要求的初始结构参数,基于三镜同轴,入射光束离轴,主镜和三镜顶点相交的光学设计理念,设计出一种易于装调、精度保证的离轴三反光学系统。该系统结合数字微镜器件目标生成器为装甲车辆提供动态实时模拟目标。该光学系统的工作波段为200~1200 nm,焦距为2800 mm,视场为2°,入瞳直径为350 mm。设计结果表明,本光学系统最大相对畸变为0.1056%,各视场的波像差均优于λ/40(主波长λ=636.3 nm)。在70 lp/mm下,本系统的调制传递函数(MTF)均优于0.54,接近衍射极限,成像质量好,满足无穷远动态目标模拟需求;对加工和装配进行公差分析后可知,光学系统的MTF值大于0.4。

针对小型化反射式光学系统的设计要求, 采用新型的离轴三反光路形式和自由曲面, 实现了F#为1.8, 对角线视场角7.5°的紧凑型自由曲面离轴三反系统, 光线在系统内多次重叠, 系统波像差全视场平均值为0.017λ(λ=10 μm)。相比非球面离轴三反系统, 该系统具有体积小、透过率高、大视场、无中心遮拦、多波段成像等优点。

近年来离轴正支共焦非稳腔被广泛用于大功率板条结构激光器, 由于其横向尺寸较大, Collins公式的计算精度需要验证。通过Fox-Li迭代, 对比了采用Collins公式和直接利用菲涅尔-基尔霍夫衍射公式计算的输出模式, 数值研究了几何放大率M和有效菲涅尔数Neq对Collins公式计算精度的影响并分析了原因。结果显示, 计算误差主要集中在光轴附近, 复振幅巨大的相位误差导致模值的大小、分布误差。另一方面, 计算精度会随M的增加, Neq的减小呈现跳变增加, 阶跃点Neq与M具有线性关系, 斜率约为133, 即Collins公式在菲涅尔数为266以内是有效的。

针对紫外通信接收光学系统的特点和发展趋势，在共轴三反光学系统的基础上，提出了一种离轴三反紫外光学系统的设计方法，利用ZEMAX软件进行优化。设计出了一个焦距为998.192 mm、视场角不小于4°、F数为4的离轴三反光学系统。在50 lp/mm空间频率处传函达到0.4以上，接近衍射极限，全视场弥散斑控制在5 μm以内，同时克服了共轴三反存在的中心遮挡问题，提高了系统的像质。该系统设计满足相应技术要求，对紫外通信系统的成功研制具有重要作用和意义。

大口径、长焦距离轴三反射镜系统的设计过程中会出现透镜的挡光问题。 传统的优化方法降低了光学设计的效率,对成像质量有负面影响。实践表明用ZPL宏指令 可以解决这个问题。反射式平行光管设计指标为:通光口径500 mm, 焦距4000 mm, 波长范 围为400～1400 nm, 有效视场2°×1°, 点列图优于6 μm。根据设计指标计算了同轴三反射 镜(TMA)系统的初始光学结构参数,借助Zemax软件中的ZPL宏指令得出最终设计方案。结果表 明:各个视场的点列图均优于6 μm, 波像差均优于λ/25, 满足设计指标。ZPL宏指令辅 助设计在离轴多反射镜系统中能控制系统结构,避免挡光,提高设计效率和成像质量。

根据广义惠更斯-菲涅耳原理以及交叉谱密度函数, 利用Kolmogorov湍流谱推导得到部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中传输时光束的光强分布表达式, 讨论了离轴距离、拓扑荷数、束腰宽度、相干长度、传输距离、湍流强度参数对光强分布的影响。仿真结果表明,拓扑荷数的大小不会改变暗核的位置; 离轴距离的正负号决定了暗核移动的方向和光强集中区域的方向; 暗核向上移动的距离随相干长度、束腰宽度的增大而减小, 随传输距离、湍流强度的增大而增大; 光斑展宽随相干长度、束腰宽度、传输距离、湍流强度的增大而增大。

将一个同轴三反系统和两个离轴三反系统相结合，设计了同离轴混合式三反光学系统。同轴系统视场角为1°×0.1°，F 数为7.3，工作波段为0.38~0.78 μm 和1.2~1.7 μm；离轴系统视场角为2°×0.1°，F 数为18.9，工作波段为0.38~0.78 μm。两系统焦距同为14 m，可同时推扫成像，均具有中间像面和实际出瞳，便于抑制杂散光。优化后，像质均接近衍射极限，各视场、各波段奈奎斯特频率处调制传递函数均大于0.41，满足静态传递函数优于0.2的系统设计要求。全系统结构紧凑，易于加工和装调。