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 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 100049
3 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
大视场离轴反射光学系统可以获取丰富的信息资源,是未来空间光学系统的发展趋势。自由曲面在离轴反射光学系统中的应用可以增大系统视场,但大视场自由曲面离轴反射光学系统初始结构较少,优化过程复杂,设计难度大。提出了一种大视场自由曲面离轴反射光学系统设计方法,首先基于矢量像差理论与费马原理直接获得成像质量较好的无遮拦自由曲面初始系统,再对其进行简单优化即可得到最终的大视场自由曲面光学系统。该方法可以降低大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计难度。设计了一个大视场自由曲面离轴三反光学系统,光学系统视场为30°×3°,F数为2,验证了所提方法的有效性。
几何光学 离轴反射系统 自由曲面 大视场
1 西安工业大学 光电工程学院 ,陕西 西安 710032
2 兵器工业卫生研究所,陕西 西安 710065
为实现场外车载光电跟踪仪的各光轴一致性检校,提出一种利用多光谱共孔径无穷远目标器、转光管和移动机构来实现对各光轴检校的方法,并对目标器进行了光学设计和总体结构设计,对影响检校的主要误差进行了分析。目标器总体尺寸为750 mm×120 mm×100 mm,采用离轴双曲面反射式光学系统,焦距为1 200 mm,孔径为50 mm,视场2°,分划板采用ZnS材料,光源采用溴钨灯,利用Zemax光学设计软件优化系统,实现焦面最大弥散斑为RMS 35.766 μm , 在空间频率5 lp/mm处,OTF均高于0.3,各项指标满足检校要求。
光轴一致性 无穷远目标器 光学设计 离轴反射系统 结构设计 optical-axes consistency infinity collimator optical design off-axis hyperboloidal reflective system structure design
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
随着单刃金刚石数控车削技术的不断提高,越来越多的红外系统选用金属作为反射镜材料以提高系统的性价比.同共轴光学系统相比,离轴光学系统的反射镜结构和装调更为复杂,为了深入研究金属反射镜在红外离轴系统中的应用,提出了一种集Kinematic 定位和柔性去应力相结合的轻量化金属反射镜结构.首先从金属结构件的加工特点出发,分析了金属反射镜的轻量化形式和安装结构;接着针对某离轴反射系统中口径最大的离轴主镜,按照各设计要素建立了金属反射镜结构模型;最后采用有限元仿真分析方法,在各种工况下,对该主反射镜进行了详细的分析,结果均满足光学设计要求.
离轴反射系统 金属镜 柔性结构 Kinematic定位 有限元方法 off-axis system metal mirror flexure mount Kinematic principle FEM
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
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院，北京 130039
为控制传统眼底相机的杂光和鬼像，设计了一款40°视场、48 mm工作距离的折反式眼底相机光学系统。设计了离轴反射式网膜物镜，引入了自由曲面以校正其离轴像差，成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正。建立了一种离焦眼模型，用于优化成像光路，消除人眼像差对成像的影响，同时得到不同视度缺陷眼的成像光路。照明光路中使用3个相邻的环形光阑，减少了眼球光学系统反射的杂光。成像光学系统可在-10~+10 m-1调焦，物方各视场分辨率为33 lp/mm，系统畸变小于8.5%; 照明光学系统在不产生鬼像的前提下，可均匀照明眼底，照度非均匀性在15%以内。实验表明，引入自由曲面的折反式眼底相机，有效地消除了杂光和鬼像，满足大视场和大工作距离的要求。
眼底相机 网膜物镜 离轴反射系统 自由曲面 光学设计 fundus camera ophthalmic lens oblique reflector system free-form-surface optical design
