光学系统设计

摘要： 在空间调制型哈达玛变换光谱成像仪(Space Hadamard Transforms Spectral Imager,SHTSI)中采用数字微镜阵列(Digital Mirror Devices,DMD)作为编码器件,能够使系统实现小型化、轻量化、高分辨率、高帧频成像。但由于DMD的翻转特性,经过DMD编码后的光学成像面发生12°倾斜,导致SHTSI成像光路和制冷型探测器冷光阑不匹配,造成视场缺失和图像降质。针对这一问题,本文提出一种像面预补偿的新型哈达玛编码光谱成像系统设计方法,在前置成像镜组中采用倾斜和偏心的设计,使得一次像面实现24°倾斜,对DMD在调制过程中产生的像面倾斜进行预补偿,从而消除倾斜成像面造成的图像降质问题。基于该方法设计了SHTSI光学系统,系统全视场点列图RMS小于5μm,保证系统在全视场范围内能够均匀成像。根据该设计方案研制SHTSI原理样机,试验结果表明,SHTSI系统满足设计指标,对成像数据进行复原,得到复原光谱角距离评价因子优于0.052。

摘要： 本文设计了一种基于滤光片的制冷型中波红外宽波段(2.7~5mm)多光谱双视场成像光学系统,可将不同波段的红外场景辐射透过相应的滤光片成像在红外制冷型探测器上。本系统将多个滤光片置于滤光轮上,并放置在探测器前,不仅能减小滤光片的有效口径,同时还兼容图像的非均匀校正功能。通过转动滤光轮,系统能够得到多个所需的图谱信息,通过差分技术可以更好地提取目标信息,提升灵敏度。该系统F数为4,焦距为70 mm/280 mm,MTF接近衍射极限,具有-50°C~80°C的主动消热差功能,满足应用要求。

摘要： 光学系统性能的有效实现不仅依靠成像质量的设计结果,还受制于光学加工公差、装配公差、环境公差等多种公差的可实现性。具备低误差敏感度特征的光学系统,公差精度要求宽松,可以更好地抵抗误差引起的像质退化,在降低制造成本的同时,有效地提高了光学系统的可实现性,因此降低误差敏感度是光学系统设计应考虑的重要环节。本文分析了光学系统误差敏感度研究现状,总结了典型的光学系统降敏方法,并对这些方法在光学系统设计中的应用进行概述。最后,对光学系统低误差敏感度设计方法的未来发展进行了展望。

摘要： 11月3日,2022年中国创新方法大赛浙江赛区决赛在杭州落下帷幕。经过材料评审、理论测试、现场答辩等多环节的激烈角逐,“稳稳提起一桶水——利用TRIZ探索手柄的设计安装方法”“AI摄像机光学系统设计中的创新方法多重应用”“基于TRIZ空炸均匀性提升研究”“电动三通阀流量调节关键技术及产业化”四个项目荣获一等奖,将代表浙江省征战全国总决赛。

摘要： 针对高空间分辨率、高光谱分辨率和大幅宽成像的遥感应用需求,提出了高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪技术方案,分析确定了成像光谱仪光学系统指标,设计了空间成像光学系统和光谱成像光学系统.空间成像光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案,实现了大视场、大相对孔径像方远心设计,系统相对畸变小于0.02％;光谱成像光学系统的狭缝长度超过90mm,采用新型离轴透镜补偿型Offner设计方案,实现了长狭缝高保真光谱成像设计,谱线弯曲和色畸变均小于1/10像元尺寸.设计结果表明,高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统简单紧凑,成像品质接近系统衍射极限,满足星载高光谱对地成像的数据应用要求.

摘要： 为了确保基于Schwarzschild结构的极紫外光刻掩模缺陷检测系统的成像质量,本文应用等效工作面法对其进行了优化设计。将传统光学设计方法得到的Schwarzschild放大系统的优化设计反射面视为由多层膜和裸镜面形共同构成,应用多层膜的等效工作面法反演出最佳裸镜面形。设计结果表明,考虑多层膜的Schwarzschild非球面系统全视场调制传递函数达到衍射极限水平,系统两裸镜的最大面形梯度分别为5.9 μm和10.2 μm,适合检测和加工。本文为添加多层膜的光学成像系统能够达到衍射极限水平提供了一种具有较强实用性的设计方法,避免了多层膜严重降低系统成像质量的问题。

摘要： 介绍了激光半主动导引头及其光学系统的结构和特点.依据半主动激光导引头的总体指标要求,分析、计算了折反式激光导引头光学系统的关键参数.进行了光学系统的结构选型,分析了激光导引头光学系统的像差和光斑要求,进行了光学系统设计.仿真结果表明,整个线性视场范围内,折反式激光导引头光学系统光斑直径稳定无变化,能量分布均匀一致;瞬时视场范围内,光斑直径稳定性优于2％.设计结果很好地满足了系统的设计要求,为激光半主动导引头的下一步研制奠定了良好基础.

摘要： 平行光管是光学实验室常用的光学精密仪器,通过光源照射靶标模拟无穷远目标,是光学系统装调、测试必需的设备.设计了一个有效口径为200 mm、焦距为5000 mm的平行光管,采用离轴两反射式系统结构,视场角为0.35°,主次镜都为非球面,次镜为凸双曲面,系统中心视场波像差设计值达到1/62λ,边缘视场波像差设计值达到1/21λ.对该平行光管次镜检验方案进行了研究,提出了一种简单可靠的凸双曲面次镜正面检验方案.

摘要： 为了在室内测试星敏感器对无穷远星光的跟踪能力,设计一款运用宽光谱色温光源通过平行光管来提供无穷远星光色温模拟的光学系统.该系统采用孔径离轴方式规避同轴系统存在的遮光比现象,主镜引用抛物面使得系统像质更加良好,同时结合楔形状半反半透型次镜解决了透射接收端的宽光谱消像散问题.设计指标要求为:工作波段400～900 nm,入瞳直径300 mm,焦距3150 mm,全视场角0.05°.实际测试结果表明:在次镜不引入非球面情况下,光学系统可实现反射端及透射端的传递函数均接近衍射极限;各视场的波像差均方根值均优于λ/30(λ 为系统主波长),出射光平行度优于1"的指标要求.

摘要： 针对激光聚变冲击波速度测量的需求,设计了一种集被动式扫描高温计和主动式冲击波速度测量于一体的复合冲击波速度测量系统.通过采用多种耐辐射光学玻璃材料,实现了共用光路的400～700 nm耐辐射消色差设计;通过采用自动控制干涉仪简化了系统操作;主动测速系统通过切换不同焦距的中继成像镜头,实现了不同放大倍率的切换.系统的物方视场为Φ2.0 mm,主动式测速系统的放大倍率为10×,20×,30×,静态实验干涉条纹平直,调制度达到0.69以上,物方分辨率达到4.72 μm.该系统在激光聚变装置上能够实现冲击波速度的动态测量.

摘要： 多光谱测温技术属于非接触法测温,与其它非接触测温方式相比,该技术能够有效避免被测目标发射率及传输介质对测温结果的影响,从而测得目标真温.本文研制了一套多光谱光纤测温仪,详细介绍测温仪的光学系统设计.采用光学设计软件ZEMAX优化其关键参数,并对各光谱通道的辐射能量进行理论计算.使用标准黑体辐射源对整套测温仪进行标定,结果表明:在设计测温范围(600～1000°C)内,测温仪测量温度的相对不确定度为1％.该测温仪能够准确测量航空发动机热端部件表面温度,具有广阔的应用前景.

摘要： 介绍了两种平衡式干涉仪的光学系统设计方法。分别给出了用于单端测量和双端测量的具体设计方案。由于采用的平衡式光学系统中测量光束和参考光束具有近似相等的光程长度和相似的路径,其光程差仅由被测件的长度或被测表面与测量参考镜之间的距离而引起,因此干涉仪具有很高的稳定性。用双端测量双光程平衡式干涉仪对准零长度试样进行测量,在185 h测量中所得数据的标准偏差为2.1nm。

摘要： 为实现望远镜的大倍率、大口径，引入了规划位置色差系数L和规划二级光谱系数S的概念，得到了对复消色差光学系统设计中的玻璃选择具有指导意义的S-L图，同时利用波差与球差，色差与波色差的关系导出了求解复消色差物镜初始结构的方程式和微量校正的公式，可较快地得出满意的复消色差物镜的结构参数。为了便于观察，引入使光轴折转45度的棱镜，将棱镜与物镜综合考虑达到复消色差。

摘要： 星敏感器作为精密角距测量装置,对光学系统要求较高,使用条件也较苛刻。因此,有必要从设计入手,对光学系统的性能进行深入的分析和模拟仿真。本文针对某卫星CMOS星敏感器光学系统的要求,设计了焦距50mm,相对孔径l/1.25的双高斯型光学系统,视场达到20°。采用模拟光线追迹方法计算了相对能量质心的畸变,最大不超过千分之一。温度-结构-光学耦合分析结果表明,在温度变化±40°C情况下,能量质心位置变化不超过1/5个像元。通过离焦分析,确定了3×3质心算法的最佳离焦量为-30μm。结合器件串扰,模拟出了该离焦量下的星点图像。分析和仿真结果表明,该光学系统满足高精度CMOS星敏感器的使用要求。

摘要： 为了与600mm望远镜匹配以验证液晶自适应光学的有效性,利用ZEMAX光学设计软件进行了液晶自适应光学系统的设计和优化.首先根据望远镜的参数、大气湍流的特性和液晶的特点提出设计要求:(1)要求成像波段为600～700nm,而探测波段为整个可见波段；(2)系统为线性偏振光系统；(3)系统为小视场系统.然后根据要求进行光学系统设计和ZEMAX软件模拟优化,设计出了满足要求的系统.最后对该光学系统进行性能评价.设计出的系统与望远镜的组合焦距为35m,F数为58.据此求得其在像面处的极限线分辨能力为44.8μm,成像CCD的像元尺寸为16μm,因此满足采样定理.液晶自适应光学系统的光学传递函数与衍射极限传递函数非常接近,而且系统的OPD象差在0.1λ左右,这说明系统具备优良的光学性能.

摘要： 本文给出了新型应用于光通信提前量监测系统的设计.无线光通信具有速率高、保密性高、抗干扰性强等优点,使得其应用范围更为广泛.在卫星光通信中,两颗卫星同时在不停运动,并且距离非常远,激光在两者之间进行传输需要一定时间,这样就必须进行超前对准,即提前量监测.本文分析了不同通信链路的提前量情况,最后以低轨卫星通信链路为例重点给出了超前瞄准系统的探测器选择以及光学系统设计结果.

摘要： 微小面形的非接触快速测量是目前发展的重点项目,在光通讯,医疗仪器,精密机械设计制造等方面均有广泛的应用.本文提出了一种观测微面形貌,特别针对微小"盲孔"底面的多功能光电检测系统.该设计基于结构精巧的光学结构,收集待测工件的面形信息.观测表面瑕疵的直接检测法,建立面形模型的立体视觉法等多种手段可应用于系统.该系统突破了微小尺寸对于物镜数值孔径的限制,提高了系统分辨率,还可通过光学微扫描器瞄准观测表面的微小疵病,进行针对性更强的观察.目前,国内外尚无物镜结构可深入2.5mm盲孔的类似设计.

摘要： 随着深空探测技术的发展,火星探测、小行星探测已成为21世纪深空探测的重要内容之一.光电敏感器如星敏感器、太阳敏感器是航天器必备测量传感器.传感器的质量、性能对整个任务的完成与否至关重要.为了满足航天器使用要求，需提高卫星平台关键测量单机的性能。军民两用单片集成数字太阳角计是航天器系统运行在空间环境恶劣的MEO轨道、GEO轨道以及HEO轨道，而我国目前卫星研制电子元器件依赖于国外进口的一般等级的军级产品达不到整个系统的长寿命、高可靠的要求。单片数字式太阳敏感器采用多芯片系统封装集成SiP技术。SiP技术可以实现对系统已有芯片的进行封装集成，通过叠层的封装，改变了传统基于印制板的电路设计模式，使系统更紧凑、性能更好。通过这种技术可以设计出国产的SiP单片集成数字式太阳敏感器。极大的提高系统的可靠性，减少成本。在航天器上可以比较大规模的使用SiP单片集成数字式太阳敏感器，改变现有的航天器姿态的测量模式，使航天器具有高可靠性、高精度、高速、高机动的性能，从而在空间环境中具有极好的适应性和生存能力。

摘要： 随着深空探测技术的发展,火星探测、小行星探测已成为21世纪深空探测的重要内容之一.光电敏感器如星敏感器、太阳敏感器是航天器必备测量传感器.传感器的质量、性能对整个任务的完成与否至关重要.为了满足航天器使用要求，需提高卫星平台关键测量单机的性能。军民两用单片集成数字太阳角计是航天器系统运行在空间环境恶劣的MEO轨道、GEO轨道以及HEO轨道，而我国目前卫星研制电子元器件依赖于国外进口的一般等级的军级产品达不到整个系统的长寿命、高可靠的要求。单片数字式太阳敏感器采用多芯片系统封装集成SiP技术。SiP技术可以实现对系统已有芯片的进行封装集成，通过叠层的封装，改变了传统基于印制板的电路设计模式，使系统更紧凑、性能更好。通过这种技术可以设计出国产的SiP单片集成数字式太阳敏感器。极大的提高系统的可靠性，减少成本。在航天器上可以比较大规模的使用SiP单片集成数字式太阳敏感器，改变现有的航天器姿态的测量模式，使航天器具有高可靠性、高精度、高速、高机动的性能，从而在空间环境中具有极好的适应性和生存能力。

摘要： 随着深空探测技术的发展,火星探测、小行星探测已成为21世纪深空探测的重要内容之一.光电敏感器如星敏感器、太阳敏感器是航天器必备测量传感器.传感器的质量、性能对整个任务的完成与否至关重要.为了满足航天器使用要求，需提高卫星平台关键测量单机的性能。军民两用单片集成数字太阳角计是航天器系统运行在空间环境恶劣的MEO轨道、GEO轨道以及HEO轨道，而我国目前卫星研制电子元器件依赖于国外进口的一般等级的军级产品达不到整个系统的长寿命、高可靠的要求。单片数字式太阳敏感器采用多芯片系统封装集成SiP技术。SiP技术可以实现对系统已有芯片的进行封装集成，通过叠层的封装，改变了传统基于印制板的电路设计模式，使系统更紧凑、性能更好。通过这种技术可以设计出国产的SiP单片集成数字式太阳敏感器。极大的提高系统的可靠性，减少成本。在航天器上可以比较大规模的使用SiP单片集成数字式太阳敏感器，改变现有的航天器姿态的测量模式，使航天器具有高可靠性、高精度、高速、高机动的性能，从而在空间环境中具有极好的适应性和生存能力。

摘要： 本发明公开了一种双狭缝长波红外光谱仪及其光学系统、光学系统设计方法，其中，光学系统包括第一倾斜狭缝、第二倾斜狭缝、主镜、次镜和三镜；其中，主镜和三镜均为球面反射镜，次镜为一凹面镀有反射膜的曲面棱镜，主镜、次镜、三镜形成offner结构；在温度T1时，第一倾斜狭缝、主镜、次镜、三镜、长波红外光谱仪的像面均处于第一光路；在温度T2时，第一倾斜狭缝、主镜、次镜、三镜、长波红外光谱仪的像面均处于第二光路；T1＞T2。本发明在未牺牲系统像质，大温差应用环境的情况下，在一个系统中同时满足了常温装调，低温使用，稳定性好，体积小质量小，同时加工制造难度低。

摘要： 本发明提出了一种大视场自由曲面光谱仪光学系统设计方法及光学系统，该设计方法包括：结合offner光谱仪主反射镜的作用选择非球面反射镜作为offner光谱仪的主反射镜；选择两块曲面棱镜作为offner光谱仪的色散元件与次反射镜；选择一块自由曲面反射镜作为offner光谱仪的第三反射镜；对自由曲面反射镜表面汇聚的不同波长以及不同视场的光进行像差补偿和校正处理，以在第三反射镜位置实现曲面自由化。全系统仅使用两块曲面棱镜、两块反射镜，光学元件数量较少，相比传统设计手段可以减小系统长度40％以上，体积减小70％以上，减小了光学元件加工及系统装调难度。

摘要： 本发明公开了属于应用光学领域中的非成像光学技术的给定照度分布的LED三维光学系统设计方法及光学系统。以发光二极管为光源、在给定定照度分布区域形成三维的非成像光学系统，以此光学系统进行三维透镜设计，针对给定照度分布区域的几何形状，遵循能量守恒定律，在区域长轴方向按照光学折射将光源表面与照度平面划分成对应的能量区域，并在短轴方向按照全内反射和折射共同作用的原则进行能量划分；根据能量对应关系计算光源光线沿长轴方向和短轴方向的光学系统表面所有特征点的坐标和法线矢量，从而确定光学系统的表面。有利于充分利用能源并降低工程成本，光学系统封装灵活，能采用单芯片和多芯片封装，多组光学系统排列时自由、简单、灵活。

摘要： 本发明公开了一种集成光学系统、光学方法及光学系统设计装置，包含一个第一分支，它能够让光以正向和反向传送，第一分支包含一个具有第一折射率(n

摘要： 本发明提供了一种光学系统、光学系统设计方法及灯具，该光学系统包括光源；透镜组件，包括第一透镜和与第一透镜相连的第二透镜，第一透镜的中心位置处设有接收孔、形成于接收孔内壁面上的第一入射面、第一反射面以及第一出光面；第二透镜部分突伸入接收孔内，包括收容在接收孔内第二入射面、第二反射面以及第二出光面；以及二级反射器，二级反射器与第一透镜相连，二级反射器上形成有第三反射面，第三反射面与第二出光面相对设置，以便光源发出的一部分光线自第一入射面进入第一透镜，并经第一反射面反射至第一出光面进行出射，另一部分光线自第二入射面进入第二透镜，并经第二反射面反射至第二出光面出射到二级反射器的第三反射面上进行出射。

摘要： 本发明提供了一种光学系统、光学系统设计方法及灯具，该光学系统包括光源；透镜组件，包括第一透镜和与第一透镜相连的第二透镜，第一透镜的中心位置处设有接收孔、形成于接收孔内壁面上的第一入射面、第一反射面以及第一出光面；第二透镜部分突伸入接收孔内，包括收容在接收孔内第二入射面、第二反射面以及第二出光面；以及二级反射器，二级反射器与第一透镜相连，二级反射器上形成有第三反射面，第三反射面与第二出光面相对设置，以便光源发出的一部分光线自第一入射面进入第一透镜，并经第一反射面反射至第一出光面进行出射，另一部分光线自第二入射面进入第二透镜，并经第二反射面反射至第二出光面出射到二级反射器的第三反射面上进行出射。

摘要： 本发明公开了一种双狭缝长波红外光谱仪及其光学系统、光学系统设计方法，其中，光学系统包括第一倾斜狭缝、第二倾斜狭缝、主镜、次镜和三镜；其中，主镜和三镜均为球面反射镜，次镜为一凹面镀有反射膜的曲面棱镜，主镜、次镜、三镜形成offner结构；在温度T1时，第一倾斜狭缝、主镜、次镜、三镜、长波红外光谱仪的像面均处于第一光路；在温度T2时，第一倾斜狭缝、主镜、次镜、三镜、长波红外光谱仪的像面均处于第二光路；T1＞T2。本发明在未牺牲系统像质，大温差应用环境的情况下，在一个系统中同时满足了常温装调，低温使用，稳定性好，体积小质量小，同时加工制造难度低。

摘要： 本发明涉及光学器具技术领域，且公开了眼、骨科手术显微镜光学系统设计及照明光学系统，包括主镜，所述主镜的背面固定安装有物镜调节座，所述物镜调节座的顶部固定安装有两个小物镜安置管，所述物镜调节座的外表面开设有调节滑槽，所述调节滑槽的内部活动安装有延伸至物镜调节座内部的助手观察镜。该眼、骨科手术显微镜光学系统设计及照明光学系统，通过设置了调节滑槽，调节滑槽为物镜调节座的四分之一，达到了助手观察镜可绕大物镜光轴顺时针转动九十度，避免了助手医生在通过显微镜观察手术面时，助手身体需要弯曲，体态会极不适舒，不利于长时间手术，影响手术的成功率的问题。

摘要： 本发明提出了一种大视场自由曲面光谱仪光学系统设计方法及光学系统，该设计方法包括：结合offner光谱仪主反射镜的作用选择非球面反射镜作为offner光谱仪的主反射镜；选择两块曲面棱镜作为offner光谱仪的色散元件与次反射镜；选择一块自由曲面反射镜作为offner光谱仪的第三反射镜；对自由曲面反射镜表面汇聚的不同波长以及不同视场的光进行像差补偿和校正处理，以在第三反射镜位置实现曲面自由化。全系统仅使用两块曲面棱镜、两块反射镜，光学元件数量较少，相比传统设计手段可以减小系统长度40％以上，体积减小70％以上，减小了光学元件加工及系统装调难度。

摘要： 本发明公开了属于应用光学领域中的非成像光学技术的给定照度分布的LED三维光学系统设计方法及光学系统。以发光二极管为光源、在给定定照度分布区域形成三维的非成像光学系统，以此光学系统进行三维透镜设计，针对给定照度分布区域的几何形状，遵循能量守恒定律，在区域长轴方向按照光学折射将光源表面与照度平面划分成对应的能量区域，并在短轴方向按照全内反射和折射共同作用的原则进行能量划分；根据能量对应关系计算光源光线沿长轴方向和短轴方向的光学系统表面所有特征点的坐标和法线矢量，从而确定光学系统的表面。有利于充分利用能源并降低工程成本，光学系统封装灵活，能采用单芯片和多芯片封装，多组光学系统排列时自由、简单、灵活。