1 莆田学院机电与信息工程学院，福建 莆田 351100
2 福建省激光精密加工工程技术研究中心，福建 莆田 351100
提出了一种基于变焦原理和初级像差理论的机械补偿式的长焦距离轴全反射式三档变焦光学系统设计方法。首先，建立了同轴四反射镜变焦光学系统初始结构求解模型，基于该模型，应用开发的自适应变异概率遗传算法对其进行求解，得到了同轴系统部分初始结构参数；然后，将其进行适当偏心和倾斜来消除共轴系统中心遮拦问题，结合光学设计软件Zemax对离轴系统像差进行校正。最后，应用上述设计方法，系统中各块反射镜光学面采用非球面设计，设计出高成像质量的焦距为300、600、900 mm的三档变焦离轴四反射镜光学系统。结果表明，该方法为离轴全反射式三档变焦光学系统设计提供了一种有效手段，能设计出满足实际应用需求的系统。
几何光学 光学系统设计 四反射镜 三档变焦 机械补偿 长焦距 激光与光电子学进展
2023, 60(19): 1908001
长春电子科技学院 电子工程学院, 长春 130022
直线运动动态目标发生器用于检测与标定光电跟瞄吊舱的动态分辨率、跟踪带宽等性能指标。动态目标发生器内置平行光管用于模拟无限远动态目标, 动态图形置于光管的焦平面并做变速直线运动模拟地面景物的移动动态。发生器内的平行光管由于其长焦距、大口径、大视场的特点, 其二级光谱需重点考虑, 基于复消色差理论, 矫正二级光谱并平衡场曲等其余像差。设计了1m焦距、口径100mm、视场角为5°的大视场、长焦距无限远目标模拟光学准直系统。设计结果表明, 光学系统的传递函数优于0.3@100lp/mm, 畸变≤0.03%, 沿轴色差远小于焦深, 有效地矫正了二级光谱。采用分辨率板法检测光学系统的轴上、轴外点的空间分辨率, 检测结果表明光管的空间分辨率均达到20组152lp/mm, 满足系统要求。
动态目标模拟 平行光管 复消色差 长焦距 光学系统设计 dynamic target simulation the collimator apochromatism long focal length optical system design
1 中国人民解放军91977部队， 北京 100036
2 华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心， 湖北 武汉 430223
自由曲面是一种非旋转对称的面型，具有很强的非对称像差校正能力，为了满足空间遥感光学系统大范围高分辨率成像的使用需求，应用自由曲面设计了一款大视场长焦距离轴三反系统。首先基于矢量像差理论直接获得了无遮拦的二次曲面初始结构，二次曲面初始结构通过反射镜的倾斜和偏心避免光线发生遮拦，再利用自由曲面对初始结构的像差进行校正，通过光学设计软件对二次曲面初始结构进行优化设计获得了最终的自由曲面离轴三反光学系统。自由曲面离轴三反系统的视场角为16°×1°，焦距为2 000 mm，入瞳直径为235 mm，调制传递函数曲线接近衍射极限，最大相对畸变为0.37%，光学系统在公差范围内具有良好的成像质量。
光学设计 大视场 长焦距 自由曲面 离轴三反系统 optical design large field of view long focal length freeform surfaces off-axis three-mirror system
1 季华实验室，广东 佛山 528000
2 佛山科学技术学院 物理与光电工程学院，广东 佛山 528000
针对航空机载平台对长焦距、紧凑型光学系统的需求，研究采用改进型的R-C主次反射镜接球面校正透镜组的结构形式，校正了全视场下的球差、彗差及色差等像差，设计了长焦距、高分辨率的紧凑型折反射式光学系统。系统焦距为1 500 mm，全视场角为2°，光学系统结构包络直径不大于φ400 mm，全视场传递函数优于0.56 @62.5 lp/mm，成像质量接近衍射极限。为提高装调效率，降低装调难度，设计实现了R-C主次反射镜中心及附近视场的成像质量达到衍射极限。基于光学干涉检测技术与计算机辅助装调理论，建立系统失调量与像差之间映射关系的灵敏度矩阵，分析失调光学系统的像差特性，并在此基础上设计了精确测量波前、反演失调量的精密光学装调方案。整机装调后光学系统全视场波像差RMS优于1/13λ，达到成像质量要求。
光学设计 折反射 长焦距 航空机载 计算机辅助装调 Optical design Catadioptric Long focal length Airborne Computer-aided alignment 光子学报
2021, 50(11): 1111002
1 合肥工业大学光电技术研究院，安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009
为了提高星敏感器探测极限星等的能力，通过参数计算、选型设计了一种复杂化双高斯结构的光学镜头，经ZEMAX软件优化后，最终得到由12片球面透镜组成的无渐晕折射式光学镜头。该镜头的入瞳直径为125 mm，系统焦距为200 mm，全视场角为14.84°，谱段范围为500~800 nm。20 ℃温度下的设计结果表明，该光学系统的均方根弥散斑半径小于3.5 ，全视场光学设计调制传递函数（MTF）在60 lp/mm处大于0.7，3×3像元内的能量集中度大于90%，畸变小于1%，最大倍率色差为1.6 。经加工、装调后，60 lp/mm处实测光学系统的最低实验室静态MTF为0.324。
光学设计 折射式 大口径 长焦距 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1112001
1 厦门理工学院光电与通信工程学院,福建 厦门 361024
2 莆田学院机电工程学院,福建 莆田 351100
以双反射镜系统为基础,在其前后均增加一组折射光学元件来校正和平衡系统像差,设计了一款仅由2片反射镜和4片透镜组成的大相对孔径、长焦距且总长较短的折反射式望远物镜。该物镜系统的工作波段为400~700 nm,焦距为900 mm,入瞳直径为500 mm,遮拦比为0.43,系统总长为495 mm,全视场角范围内的调制传递函数值在截止频率为107.5 lp/mm处均大于0.5。最后对系统进行了公差分析。结果表明,设计的望远物镜系统具有结构简单、成像分辨率高且公差大等特点。
几何光学 望远物镜 大相对孔径 长焦距 折反射物镜 光学设计 激光与光电子学进展
2021, 58(1): 0108002
光学系统是自主导航星敏感器实现恒星光信号收集以及高精度姿态测量的核心组件。以高精度星敏感器光学系统为研究对象，分析了影响光学系统探测不同色温恒星精度的机理，恒星色温及环境温度变化引起的质心漂移量误差通过后期标定抑制的难度大，需要在光学设计阶段进行控制；建立了光学系统设计波长权重计算模型及分配方法；在性能评价方面，除了常规的能量集中度、畸变以及非对称像差之外，提出采用恒星色温质心漂移量以及温度变化质心漂移量作为精度评价的主要指标。根据应用需求设计了一款基于航天卫星平台的长焦距星敏感器光学系统，焦距为95 mm，相对孔径为F/2.4，视场角为8°×8°，探测光谱范围为450～1 000 nm，3×3像元内能量集中度大于85%。基于常规玻璃材料校正了超宽谱段长焦距光学系统的倍率色差，全视场倍率色差不超过0.9 μm。精度分析结果表明：2 600～9 800 K范围内不同色温恒星的质心漂移量小于0.36 μm；在工作温度0～40 °C范围内，焦距变化量小于2.7 μm，温度变化引起的质心漂移量小于0.45 μm。
星敏感器 无热化 光学设计 长焦距 质心漂移量 star sensor athermalization optical design long focal length centroid drifting 红外与激光工程
2020, 49(9): 20200061
南京信息工程大学物理与光电工程学院, 江苏 南京 210044
设计了一个具有快焦比长焦距的日盲紫外光学系统。其F数为2.0,焦距为100 mm,总长与焦距之比为1.5。该系统由全球面透镜构成,未采用非球面或衍射光学元件,便于加工和检测。其中,正透镜采用氟化钙材料,负透镜采用熔石英材料,有效地校正了系统色差,最大垂轴色差不超过一个像素大小。设计结果表明,该系统成像性能优良、分辨率高,兼容了快焦比和长焦距的特点,满足设计要求,并且通过公差分析验证了该系统的工程可实现性。
光学设计 紫外镜头 日盲紫外光谱 快焦比 长焦距 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 192201
北京工业大学激光工程研究院高功率及超快激光先进制造实验室, 北京 100124
超快激光玻璃焊接通常采用大数值孔径显微物镜对激光束进行聚焦,焊接严格限制在极小的焦体积内,且工作距离短,焊接速度低,焊缝宽度窄,不利于工业应用。采用75 W绿光飞秒激光器和255 mm长焦距扫描振镜实现了显示屏玻璃的非光学接触高速焊接,获得了焦点位置、脉冲能量和扫描速度对焊缝成形的影响规律以及焊接工艺窗口,无缺陷焊接速度可高达6 m/min。焊缝的剪切强度可高达20 MPa,并具有良好的耐水性和高透过率,说明本焊接方法具有广阔的应用前景。
激光技术 玻璃 焊接 非光学接触 超快激光 长焦距
