1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
宽视场光学成像系统可以增大光学遥感器观测范围、提高探测效率。近年来，基于自由曲面的光学系统设计和制造取得了重大进展，为设计大视场、大相对孔径、高分辨率、高成像质量、无遮挡离轴反射系统提供了可能性。首先，分析了大视场离轴反射系统的像差特性，指出当不断增加系统视场角，尤其是子午方向视场角时，与视场相关的非对称高级像差量将剧烈增加；像场连续性要求更加凸显。接着，提出了一种二维大视场长焦距离轴光学系统设计方法：在常规光学系统初始结构基础上，采用多重结构形式，使子午方向视场角离散化，光学系统特定曲面分解为两个子曲面；并构建系统约束条件，通过约束系统外形尺寸、优化系统结构形式进而完成系统优化设计。最后，基于提出的方法，设计了一款焦距为1 000 mm，像方F数为10，视场角为40°×16°的自由曲面离轴四反光学系统。设计结果表明：该系统全视场范围内成像质量较好，50 lp/mm的特征频率下，400~750 nm可见光波段内光学调制传递函数优于0.26，证明该方法切实有效。
光学设计 离轴反射系统 自由曲面 二维大视场 曲面分解 optical design off-axis reflection system freeform surface wide field-of-view surface decomposition 光学 精密工程
2023, 31(14): 2019
1 吉林东光精密机械厂, 吉林长春 130033
2 长春理工大学光电工程学院, 吉林长春 130022
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。
双波段系统 动态光学 离轴反射系统 自由曲面 轻量化设计 dual-bandsystem dynamic optical theory off-axis reflection free-form surface light weight design
1 昆明物理研究所，云南昆明 650223
2 重庆军代局驻昆明地区第一军代室，云南昆明 650032
根据生产需要，设计、生产了焦距为 8m的卡塞格林式离轴反射系统准直仪，并构建先进装调方法精准装校，通过干涉图像和干涉条纹的判读，使卡式准直仪系统的成像质量接近设计水平，解决生产中准直仪最长焦距只有 3m而无对应的产品所需空间频率的红外鉴别率测试靶板问题。
离轴反射系统 四杆靶 装调方法 off-axis reflection system, four targets, alignmen
1 江南大学理学院, 江苏 无锡 214122
2 江苏省轻工光电工程技术研究中心, 江苏 无锡 214122
设计了一种离轴双反射自由曲面激光整形系统,不仅可以使输出光束辐照度分布变均匀,而且可以控制输出波前和扩束率。通过设置两个约束条件和初始条件,获得自由曲面上相邻采样点之间的迭代关系,从而计算整个自由曲面上所有采样点。利用软件对系统进行验证,将16 mm×16 mm的方形高斯束分别整形为80 mm×80 mm的方形均匀光斑和120 mm×20 mm的矩形均匀光斑,出射光束均为准直光束。结果表明:方形光斑均匀度为90.74%,光束扩束率为5;矩形光斑均匀度为94.75%,水平方向扩束率为7.5,竖直方向扩束率为1.25。
激光整形 自由曲面 离轴反射 辐照度均匀性 激光与光电子学进展
2020, 57(7): 070801
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京10049
3 苏州胜利精密制造科技股份有限公司, 江苏 苏州 215000
针对汽车AR-HUD显示虚像视距更远、虚像视场角更大的需求, 采用自由曲面离轴反射光路结构, 设计了一种焦距为-309 mm, 虚像视距为7.5 m, 虚像视场角为9.8°×5.5°的虚像显示光路。为保证驾驶员观察到的虚像的清晰度, 结合人眼典型分辨角为1′, 源图像显示模块采用分辨率为854×480 pixel的背投式DLP微投影系统。将人眼与虚像显示光路作为整体进行设计, 使用Eyebox(孔径光阑偏移范围)模拟驾驶员眼睛活动范围, 对于不同的孔径光阑位置, 该光学系统的虚像面在奈奎斯特空间频率0.33 lp/mm处, 中心视场MTF值大于0.6, 全视场MTF值大于0.3。此外, 使用蒙特卡罗方法对该系统取不同入瞳位置时进行了初步公差分析, 系统90%的MTF值大于0.49, 表明该系统容差能力较强。
光学设计 平视显示 离轴反射 自由曲面 optical design head up display off-axis reflection free-form surface
1 长春理工大学, 吉林 长春 130000
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心, 吉林 长春 130000
3 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室, 吉林 长春 130000
星模拟器作为星敏感器的地面标定系统, 用来模拟星点像的大小、星等、光谱、色温、星的位置及星之间的角距等。随着航天技术的不断发展, 对星模拟器本身的要求也越来越高, 进而使星模拟器重要部件准直光学系统的设计成为关键因素。利用离轴反射式光学系统无色差、体积小、光利用率高、中心无遮拦等特点, 提出一种离轴抛物面式准直光学系统。该系统由离轴主抛物面反射镜和次平面反射镜组成, 实现了通光口径为Φ300 mm, 焦距为3 000 mm, 视场角为30′的准直光学系统设计, 经像质分析表明, 在视场角内畸变为0.006 2%(小于0.01%), MTF达到衍射极限, 波相差为0.071 6 λ, 所设计的光学系统能满足要求, 并论述了准直光学系统的装校过程。
星模拟器 离轴反射系统 光学设计 大口径 star simulator off-axis reflection system optical design large aperture
