为了实现大像面、小投射比、高清画面要求，设计了一款折反式超短焦投影镜头。根据性能指标要求选择了反远距系统，采用缩放法获得初始结构，由出瞳位置不同视场光线与像面的高度关系，计算获得了反射镜坐标数据，拟合得到反射镜面型。采用点列图、场曲/畸变和调制传递函数(ModulationTransferFunction，MTF)曲线对像质进行了评价。最终获得了焦距为 5.45mm，投射比为 0.4的物方远心系统，在投影距离 720mm时可投射 80inch画面，清晰度为 1080p，视场角为 136°，放大倍率约为 125倍，系统点列图均方根(RootMean Square，RMS)半径小于 750μm，畸变小于 0.2%，相对照度在 96%以上，其 MTF曲线幅值在 0.54lp/mm时均大于 0.3。公差分析表明，系统设计合理，成像质量良好。相较于其他折反式超短焦投影镜头，该系统在保证成像质量的同时折射部分未使用非球面，有效降低了加工和装配难度。
超短焦投影 光学设计 折反式成像 非球面反射镜 公差分析 ultrashort focal projection optical design catadioptric imaging aspheric mirror tolerance analysis
光学渐晕效应存在于大部分光学成像系统,严重影响成像质量。如何有效改善光学渐晕效应是航天光学遥感器设计的要点。采用辐射定标方法量化成像系统中光学渐晕效应的影响,并获得校正系数。采用多项式拟合方法对校正系数进行优化,拟合后校正系统减少约3个数量级,大大降低了对嵌入式系统存储资源的需求。通过多项式拟合方法有效减少了校正系数,对光学渐晕效应改善效果良好,校正前相机的非均匀性误差为13.2%,校正后非均匀性误差降至3.8%,满足一般成像系统对响应非均匀性的要求。该方法校正系数少,适合在基于FPGA处理器中实现,实时性强,资源占用少,具有工程实用价值。
信息处理 折反式光学系统 光学渐晕效应 二次多项式拟合 information processing refractive and reflective optical systems optical vignetting effect quadratic polynomial fitting FPGA FPGA
红外与激光工程
2023, 52(9): 20230470
1 天津科技大学机械工程学院天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津 300222
2 沂普光电（天津）有限公司，天津 300385
针对折反式超短焦投影成像光学系统由于结构复杂、投射比小、视场角大造成优化像差时收敛速度慢的问题，提出一种基于折反耦合点的超短焦投影成像光学系统的设计方法。通过对光学系统中折射透镜组与凹面反射镜之间各视场及孔径处光线耦合点位置的计算，将理想耦合点与实际耦合点的偏差作为评价函数来优化像差，同时采用正向设计和反向设计相结合的方式，有效提高光学系统优化效率。利用此方法设计了一个超短焦投影镜头，可在486 mm处投射100 inch（2540 mm）尺寸画面，TV畸变小于0.2%，各视场调制传递函数（MTF）在截止频率为117 lp/mm处均达0.5以上。
光学设计 耦合点 耦合偏差 折反式 超短焦光学镜头 激光与光电子学进展
2023, 60(16): 1611002
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
2 上海航天控制技术研究所先进光电中心，上海 201100
为提高导引结构的特征分辨能力和全天候工作能力，提出一种长波红外与激光共孔径的双模导引光学系统设计方案，利用被动红外模块搜索目标，通过主动激光雷达模块锁定目标并精确制导。为解决导引头内光学系统尺寸受限的问题，以Ritchey-Chretien结构为共用部分，通过次镜镀分光膜实现长波红外（8~12 μm）反射光路与激光（1.064 μm）透射光路的组合，并分析了不同光学遮拦情况对非相干成像系统调制传递函数衍射极限的影响。展示了F数为0.98、光学遮拦比为1/3的共孔径双模导引系统的实例，使用多片折射镜片实现对主、次镜残余像差的补偿，利用光学被动式消热差方法完成-40~60 ℃范围的长波红外无热化，具有良好的热稳定性和可加工性，可为双模导引光学系统的分析与设计提供参考。
光学设计 双模导引 长波红外光学系统 激光 共孔径结构 折反式系统 光学学报
2023, 43(12): 1222001
1 同济大学 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
2 同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，上海 200092
3 上海航天控制技术研究所，上海 201109
4 北京空间机电研究所，北京 100190
为了弥补分焦平面偏振成像技术在测量过程存在瞬时视场误差且图像分辨率降低的缺陷，将微扫描技术与分焦平面偏振成像系统相结合，研制了一款基于透镜微扫描的红外偏振成像光学系统，系统波长为3~5 μm、F数为2、光学视场角为±2°。采用折反式光学结构，将后透镜组中最后一片透镜作为微扫描透镜，实现了2×2模式的正交位移。完成了公差分析和结构设计，分析了微扫描透镜的同轴度、位置度、扫描位移等对成像质量的影响规律，获得了各视场调制传递函数均高于0.47@17 lp/mm的设计结果。利用研制的系统进行了偏振成像实验，结果表明，红外偏振成像提高了图像的对比度，目标轮廓更清晰，且对不同材质目标的识别能力更强。
红外偏振 光学系统 微扫描透镜 折反式 大容差 Infrared polarization Optical system Micro-scanning lens Catadioptric system Big tolerance
立方星具有发射成本低、周期短、尺寸小和功率小等优点，非常适合某些创新技术率先验证、星载一体化或者以分布式空间网络的方式提供遥感与通讯等服务，例如星座和编队飞行等。鉴于此，设计一个适用于3U立方星平台的相机光学系统。首先通过对不同光学系统结构进行对比分析，确定系统采用同轴折反式结构，该系统的焦距为460 mm，视场角为4°，工作波段为450~700 nm。然后通过分析系统的传递函数，得到系统口径与遮拦比之间的对应关系，确定口径为92 mm，F数为5。最后对系统进行优化，系统以卡式系统为原型，主、次镜为曼金镜，优化后各视场的像质均接近衍射极限，在奈奎斯特频率处传递函数优于0.3。
光学设计 光学系统设计 立方星 折反式光学系统 公差分析 光学传递函数分析 激光与光电子学进展
2021, 58(5): 0522002
1 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
无人机载光电吊舱对其载荷体积重量的要求苛刻，为了满足8～12.5 μm红外探测需求，设计并实现了一种轻巧紧凑的长波红外光学系统。系统F数为2，口径为150 mm，总视场为2.34°。光学系统采用二次成像折反射式结构，将常用的卡式主系统简化为折叠牛顿式主系统，将球面次镜简化为平面镜折叠光路，轴外像差通过非球面校正镜组校正。主系统采用全铝光机结构，结合后光路的光机材料匹配，在工作环境温度范围内，光学设计传函高于0.41@17 lp/mm，具有100%冷屏效率，而体积仅为Φ152 mm×125 mm。整机装调后，全视场传函高于0.24@17 lp/mm，像质清晰，满足预期。光学系统设计巧妙、结构轻小紧凑、加工装调成本低。设计思路和研制方法可为类似应用的无人机载光电吊舱长波红外仪器的光学系统提供参考。
光学设计 长波红外 折反式 冷屏效率 轻小型 optical design longwave-infrared catadioptric cold stop efficiency light and small 红外与激光工程
2020, 49(9): 20200031
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 空间光学技术研究室, 西安 710119
2 西北大学 光子学与光子技术研究所, 西安 710069
为提高星敏感器探测极限星等的能力，采用改进型卡塞格林系统、光阑校正球面透镜组和视场校正球面透镜组相结合的结构，设计了一种光谱范围为450~950 nm、半视场为1.4°、入瞳直径为250 mm、焦距为425 mm，且能够矫正像散、场曲和畸变的大口径折反式星敏感器光学系统.基于像差理论的系统初始结构参数计算和Zemax软件光线追迹的优化设计，光学系统的次镜遮拦比为0.43，成像点80%的能量集中在30 μm内，最大畸变为0.081%，光学传递函数在奈奎斯特频率34 lp/mm处大于0.75，最大倍率色差为1.138 μm，满足星敏感器对成像的要求.对光学系统进行公差分析，在20次蒙特卡罗分析结果中，第13个结构的绩效函数最好，为4.975 16 μm，第20个结构的绩效函数最差，达到7.799 57 μm.通过对20次蒙特卡罗结构的绩效函数分析，所选定的公差值能够很好地满足光学系统性能基本要求，为加工和安装过程中的误差提供依据.
星敏感器 光学设计 大口径 折反式 Star sensor Optical design Large aperture Catadioptric Zemax Zemax
