大视场大相对孔径自由曲面成像系统设计
发布时间：2022-01-22 19:35
近年来,自由曲面在高性能离轴反射成像系统中应用越来越广泛。文中基于矢量像差理论和遗传算法求解初始结构,采用视场离轴和孔径离轴相结合的方式,利用XY多项式描述的自由曲面增大自由度校正离轴像差,设计了一个大视场大相对孔径的制冷型离轴反射光学系统。系统工作波段为长波红外8～12μm,焦距400 mm,F数为2,视场角为8°×5°,平均RMS波像差为0.037 054λ（λ=9μm）。探测器冷光阑和光学系统出瞳相匹配,实现100%冷光阑效率,系统能量集中度较高,成像质量良好。
【文章来源】：红外与激光工程. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
间隔约束范围Fig.3Intervalconstraintrange
面型变化比较平缓，没有局部凸起，适于目前的加工水平。对自由曲面的检测通常采用非球面检测的方法，其中计算全息检测法CGH(Computer-GeneratedHologram)得到了广泛的应用[16]，针对本系统中的三个自由曲面面型，适用于计算全息检测方法，加工难度和误差较小，可以达到较高的检测精度。图4光学系统初始结构的设计过程和最终结果。(a)初始系统；(b)Φ(X1,Y1)结果；(c)最终结果Fig.4In-progressandfinalresultsfordesignoftheinitialconfiguration.(a)Initialsystem;(b)ResultsforsystemconstructionusingΦ(X1,Y1);(c)Finalresult图5最终系统的均方根波前误差Fig.5FieldmapofRMSwavefronterrorforfinalsystem图6最终系统的调制传递函数Fig.6MTFforthefinalsystem红外与激光工程第8期www.irla.cn第49卷20200005–6
α结果如表3所示，表中d为镜片间隔，r为曲率半径，k为二次项系数，为倾斜角度。求解系统的点列图均方根直径变化趋势如图2所示。初始的离轴反射光学系统结构，具有比较好的成8×5像质量，利用光学设计软件对初始光学系统进行优化，为避免光线遮拦和杂散光，须严格控制系统中可能出现的光线遮挡或产生干涉的位置距离，图3详细说明了间隔的约束范围。使用XY多项式描述的自由曲面对系统进行优化时，保证系统关于YOZ面对称，只使用含有x偶次项的多项式，先选取只含有y的参数项，再加上与x偶次幂相关的参数项作为变量，优化过程中同时扩大X方向视场角，最终实现的大视场制冷型离轴反射系统，扩大视场过程中结构和像质变化情况如图4所示。从图4(c)中可以看出，最终系统结构紧凑，点列图中各视场弥散斑直径最大的是24.779μm，小于一个像元尺寸。图3间隔约束范围Fig.3Intervalconstraintrange离轴反射系统的最大RMS波像差为0.056λ(λ=9μm)，平均RMS波像差为0.037λ(λ=9μm)，如图5所示。光学调制传递函数如图6所示，调制传递函数接近衍射极限，光学调制传递函数在奈奎斯特频率(16lp/mm)大于0.33，有良好的成像质量。图7中全视场范围内80%的能量都集中在直径为0.06mm的包围圆内，表明光学系统80%以上的能量都集中在探测器2个像元内，系统的能量集中度较高。8×5根据以上的分析结果可以看出：自由曲面的应用有效校正了大视场离轴三反系统的像差，在的大视场下，系统能量集中度高，有良好的成像质量。为了更直观地描述出自由曲面面型，根据光学系统最终的XY多项式面型系数，结合CodeV
【参考文献】：
期刊论文
[1]制冷型自由曲面离轴反射光学系统设计[J]. 操超,廖胜,廖志远,白瑜,陈炳旭,范真节. 光学学报. 2019(11)
[2]轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计[J]. 赵宇宸,何欣,张凯,刘强,崔永鹏,孟庆宇. 红外与激光工程. 2018(12)
[3]基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计[J]. 李旭阳,倪栋伟,杨明洋,任志广. 光子学报. 2018(09)
[4]遗传算法在离轴四反光学系统设计中的应用[J]. 徐奉刚,黄玮. 光学精密工程. 2017(08)
[5]光学自由曲面面形检测技术[J]. 张磊,刘东,师途,杨甬英,李劲松,俞本立. 中国光学. 2017(03)
[6]大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计[J]. 孟庆宇,汪洪源,王严,纪振华,王栋. 红外与激光工程. 2016(10)
[7]离轴反射光学系统像差特性研究[J]. 庞志海,樊学武,任国瑞,丁蛟腾,许亮,凤良杰. 红外与激光工程. 2016(06)
[8]6倍制冷型中红外连续变焦光学系统设计[J]. 张庭成,廖志波. 光学学报. 2012(11)
博士论文
[1]光学自由曲面设计方法及应用研究[D]. 程颖.天津大学 2013
硕士论文
[1]致冷型离轴反射光学系统研究[D]. 姜晰文.长春理工大学 2016
[2]自由曲面离轴反射式光学系统设计[D]. 王伟.南京理工大学 2016
本文编号：3602779
【文章来源】：红外与激光工程. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
间隔约束范围Fig.3Intervalconstraintrange
面型变化比较平缓，没有局部凸起，适于目前的加工水平。对自由曲面的检测通常采用非球面检测的方法，其中计算全息检测法CGH(Computer-GeneratedHologram)得到了广泛的应用[16]，针对本系统中的三个自由曲面面型，适用于计算全息检测方法，加工难度和误差较小，可以达到较高的检测精度。图4光学系统初始结构的设计过程和最终结果。(a)初始系统；(b)Φ(X1,Y1)结果；(c)最终结果Fig.4In-progressandfinalresultsfordesignoftheinitialconfiguration.(a)Initialsystem;(b)ResultsforsystemconstructionusingΦ(X1,Y1);(c)Finalresult图5最终系统的均方根波前误差Fig.5FieldmapofRMSwavefronterrorforfinalsystem图6最终系统的调制传递函数Fig.6MTFforthefinalsystem红外与激光工程第8期www.irla.cn第49卷20200005–6
α结果如表3所示，表中d为镜片间隔，r为曲率半径，k为二次项系数，为倾斜角度。求解系统的点列图均方根直径变化趋势如图2所示。初始的离轴反射光学系统结构，具有比较好的成8×5像质量，利用光学设计软件对初始光学系统进行优化，为避免光线遮拦和杂散光，须严格控制系统中可能出现的光线遮挡或产生干涉的位置距离，图3详细说明了间隔的约束范围。使用XY多项式描述的自由曲面对系统进行优化时，保证系统关于YOZ面对称，只使用含有x偶次项的多项式，先选取只含有y的参数项，再加上与x偶次幂相关的参数项作为变量，优化过程中同时扩大X方向视场角，最终实现的大视场制冷型离轴反射系统，扩大视场过程中结构和像质变化情况如图4所示。从图4(c)中可以看出，最终系统结构紧凑，点列图中各视场弥散斑直径最大的是24.779μm，小于一个像元尺寸。图3间隔约束范围Fig.3Intervalconstraintrange离轴反射系统的最大RMS波像差为0.056λ(λ=9μm)，平均RMS波像差为0.037λ(λ=9μm)，如图5所示。光学调制传递函数如图6所示，调制传递函数接近衍射极限，光学调制传递函数在奈奎斯特频率(16lp/mm)大于0.33，有良好的成像质量。图7中全视场范围内80%的能量都集中在直径为0.06mm的包围圆内，表明光学系统80%以上的能量都集中在探测器2个像元内，系统的能量集中度较高。8×5根据以上的分析结果可以看出：自由曲面的应用有效校正了大视场离轴三反系统的像差，在的大视场下，系统能量集中度高，有良好的成像质量。为了更直观地描述出自由曲面面型，根据光学系统最终的XY多项式面型系数，结合CodeV
【参考文献】：
期刊论文
[1]制冷型自由曲面离轴反射光学系统设计[J]. 操超,廖胜,廖志远,白瑜,陈炳旭,范真节. 光学学报. 2019(11)
[2]轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计[J]. 赵宇宸,何欣,张凯,刘强,崔永鹏,孟庆宇. 红外与激光工程. 2018(12)
[3]基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计[J]. 李旭阳,倪栋伟,杨明洋,任志广. 光子学报. 2018(09)
[4]遗传算法在离轴四反光学系统设计中的应用[J]. 徐奉刚,黄玮. 光学精密工程. 2017(08)
[5]光学自由曲面面形检测技术[J]. 张磊,刘东,师途,杨甬英,李劲松,俞本立. 中国光学. 2017(03)
[6]大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计[J]. 孟庆宇,汪洪源,王严,纪振华,王栋. 红外与激光工程. 2016(10)
[7]离轴反射光学系统像差特性研究[J]. 庞志海,樊学武,任国瑞,丁蛟腾,许亮,凤良杰. 红外与激光工程. 2016(06)
[8]6倍制冷型中红外连续变焦光学系统设计[J]. 张庭成,廖志波. 光学学报. 2012(11)
博士论文
[1]光学自由曲面设计方法及应用研究[D]. 程颖.天津大学 2013
硕士论文
[1]致冷型离轴反射光学系统研究[D]. 姜晰文.长春理工大学 2016
[2]自由曲面离轴反射式光学系统设计[D]. 王伟.南京理工大学 2016
本文编号：3602779
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