层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差

以层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差为研究目标,基于非旋转对称光学系统的矢量波像差理论,建立了层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态波像差理论模型,提出一种可用于系统波像差计算的适用性方法。同时,将动态波像差模型应用于两片式微透镜阵列扫描结构的像差分析中,分析了多扫描视场下的初级波像差以及均方根（RMS）波前差,并计算了不同扫描视场下的初级波像差值在光学表面上的分布。所得研究结果对层叠微透镜阵列扫描成像系统的设计优化与装调实验具有理论指导和工程化意义。     

自由曲面校正光学系统像差的研究EI北大核心CSCD

利用条纹泽尼克多项式来表征自由曲面的光学元件,并将多项式中表示初级球差、彗差、像散项转换为矢量形式.利用矢量波像差理论,研究了自由曲面光学元件校正光学系统初级像差的特性.通过分析可知,自由曲面在光学系统中不同位置时所校正的像差特性不同.当自由曲面位于光学系统的孔径光阑(入瞳或出瞳)上可以校正光学系统全视场内为常数的初级像差;当自由曲面远离孔径光阑时,由于轴外视场成像光束口径的缩放与偏移,自由曲面可以校正非对称初级像差,且不同初级像差与视场依据关系不同.     

自由曲面校正光学系统像差的研究

利用条纹泽尼克多项式来表征自由曲面的光学元件,并将多项式中表示初级球差、彗差、像散项转换为矢量形式.利用矢量波像差理论,研究了自由曲面光学元件校正光学系统初级像差的特性.通过分析可知,自由曲面在光学系统中不同位置时所校正的像差特性不同.当自由曲面位于光学系统的孔径光阑(入瞳或出瞳)上可以校正光学系统全视场内为常数的初级像差;当自由曲面远离孔径光阑时,由于轴外视场成像光束口径的缩放与偏移,自由曲面可以校正非对称初级像差,且不同初级像差与视场依据关系不同.     

新型折反射式椭球形整流罩光学系统的设计

提出了一种可用于指导非旋转对称、折反射式光学系统设计的Wasserman-Wolf曲面设计方法,并将其用于设计椭球形整流罩光学系统,得到的系统具有结构尺寸小的优点。利用最小二乘拟合的方法使系统初始结构兼顾各个扫描视场的像差校正需求,克服了以往只针对零视场计算校正元件初始参数致使扩展至整个扫描视场时系统评价函数难以收敛的弊端。同时,从平面对称的矢量像差理论出发,分析了平面对称反射镜的像差特性,阐述了在不同扫描视场中,利用反射镜倾斜来进行动态像差补偿的原理。设计了一套工作波段为中波红外的椭球形整流罩光学系统,该系统的调制传递函数(MTF)在整个扫描视场内接近衍射极限。     

反射式旋转对称光学系统中的偏振像差分析

为了控制反射式旋转对称光学系统中的偏振效应,对该类系统中的偏振像差进行了分析。在偏振像差理论的基础上,通过偏振光线追迹的方法,导出反射式旋转对称光学系统的偏振像差的计算公式,提出了反射界面产生的偏振像差的影响因子,对影响其偏振像差的因素进行了分析。实例分析结果表明,对于具有宽光谱、大入射角、大视场等特点的反射式旋转对称光学系统,要想提高其光学系统的性能,必须控制光学系统的偏振像差。提出尽可能减小入射角的大小,并通过薄膜设计减小偏振分离来降低系统中的偏振效应,是控制反射式旋转对称光学系统中的偏振像差的有效措施。     

基于倾斜偏心旋转对称元件的飞机共形窗口像差校正

为校正飞机上双曲率面共形窗口在全扫描视场范围内引入的静态和动态像差,设计了一种静态校正器结构.该校正器由三个含有倾斜和偏心的旋转对称元件组成,且每个元件的表面面形为偶次非球面.校正器相对于共形窗口的位置是固定的,且结构紧凑稳定.基于矢量像差理论,对校正器进行光学设计,并阐述了该校正器的像差校正原理,结果表明:在各扫描视场位置,共形窗口与校正器引入的矢量像散可以相互抵消,使得共形窗口在全扫描视场范围内引入的静态和动态像散均得到校正,整个共形光学系统在可见光波段引入的波前像差均小于1个波长,调制传递函数曲线在50lp/mm处值均大于0.8.     

消像差条件在共形光学系统中的应用

根据轴对称光学系统中的消像散条件探讨了共形整流罩结构中消像散万向节点位置的存在性.在此基础上,对共形光学系统中消像差万向节点位置进行了理论推导.软件分析结果表明,轴对称光学系统消像差条件对于共形光学系统的设计仍有良好的指导意义,由此得到的"消像差"共形光学系统的残余像差已处于实际成像系统的像差校正能力范围之内.     

新型离轴反射变焦距光学系统的多视场检测方法

基于对离轴反射变焦距光学系统进行计算机辅助装调研究, 需要检测离轴反射变焦距系统各个视场的波像差, 除零度视场外, 获得包括其他视场的波像差有助于提高计算机辅助装调的准确性, 但是目前已有的波像差检测方法往往只能获得系统零度视场的波像差. 本文针对这个难题提出了一种检测离轴反射变焦距光学系统各个视场波像差的方法, 并应用于离轴三反变焦距光学系统的各视场波像差仿真检测. 该方法在传统自准直干涉法的基础上进行改进, 关键在于采用变形镜代替扫描的平面镜, 并采用夏克-哈特曼波前传感器代替干涉仪, 配合精确标定的激光器光源阵列, 可以实现对离轴三反变焦距光学系统的多视场波像差同时检测. 由理论分析和仿真模拟得出, 该系统在视场(0°, 3°), (0°, 4.2°), (0°, 5.5°), (0°, 7°), (0°, 9.8°), (0°, 14°)处经过变形镜补偿后的剩余波像差的RMS值分别为0.00039λ, 0.00075λ, 0.0024λ, 0.00017λ, 0.00053λ, 0.0057λ, 分析仿真结果表明此检测方案是可行的, 且适用于离轴反射变焦距系统的计算机辅助装调技术的研究.     

自由曲面空间光学系统设计研究

对自由曲面的发展及应用做简要梳理,介绍国外自由曲面空间光学系统的研究现状,讨论3种自由曲面数理模型的特点和像差平衡能力,阐述自由曲面光学系统相对轴对称系统和平面对称系统的像差特点以及自由曲面空间光学系统的像差控制与评价方法,给出采用泽尼克多项式表述的自由曲面多光谱相机的设计结果,成像视场76,为远心光路设计,全视场调制传递函数（MTF）优于0.56,适用于空间多光谱成像。     

偏轴自由曲面光学系统像差特性研究

基于矢量像差理论,提出了以Fringe Zernike多项式为表征函数的偏轴自由曲面光学系统像差分析方法,推导了偏轴自由曲面系统的三阶像散和彗差解析表达式,分析了自由曲面对偏轴系统像差节点分布的影响。根据像差分布特性,有针对性地选取和优化Zernike系数,设计了一个偏轴两反自由曲面长波红外光学系统,系统有效焦距为500mm,口径为300mm,采用384pixel×288pixel非制冷红外探测器接收,像素大小为25μm。优化后的系统三阶像散和彗差节点被重新移至视场中,平衡了系统偏轴引起的非对称像差,系统成像质量接近衍射极限,满足使用需求。     

Design of Plane-Symmetric Low <Emphasis Type="Italic">F</Emphasis>-number Reflective System Based on Perturbation Aberration Model

All-reflective optical systems have theoretically no chromatic aberration and are suitable for wide spectral application, but co-axial reflective systems are difficult to design as low F-number optical systems. In this paper, the aberration of plane-symmetric optical systems with low F-number is analyzed based on the wavefront derived from optical path length. Up to third-order aberrations are classified into three categories by their characteristics. The reduction method of the dominant aberration, astigmatism-like aberration, is proposed. In the method, the Gauss image plane is modeled by means of a simplified mirror surface with third-order approximation. Because the system is plane-symmetric, symmetric cross section and asymmetric cross section are modelled differently. The design example of a three-mirror system with F/2 is shown.     

双透镜无光焦度校正板和单一反射镜的研究

对双透镜无光焦度校正板和单一反射镜组成的光学系统进行了研究,利用三级像差理论分析了消像差条件,并得出了一组被证明是正确的公式.根据该公式可以求出光学系统的初始结构参量.对于在球面镜反射系统中,基于像差特性分析,得出了系统的最佳结构和双透镜无光焦度校正板中单透镜光焦度的最佳选择.     

Effects of third-order aberrations on the irradiance of self-image

We examine the effects of third-order aberrations exerted on the irradiance of image that is observable in a coherent self-imaging system. Both spherical aberration and astigmatism degrade the visibility of the image of a sinusoidal-type grating as well as blur the outline of the image of a rectangular-type grating. Coma laterally shifts the image of a sinusoidal-type grating on the image plane as well as changes a rectangular-type pattern into an asymmetrically blurred pattern. According to our analysis, the self-image of a high-density grating with a period of two times the optical wavelength is not at all affected by spherical aberration. In general a self-imaging system can always be corrected for astigmatism by shifting the image plane in its normal direction. We show that the self-image with defect can be well explained by taking the third-order aberrations and the focus-shift aberration into consideration.     

Third-order aberration analysis of an off-axial optical system

The aberration theory applied to co-axial optical systems is extended to off-axial systems, for which third-order aberration coefficients are considered. The derived aberrations are analyzed using three-dimensional ray bundles, spot diagrams, and image charts, and classified in relation to the system symmetry. This theory is very useful for optical designers, allowing them to clarify the relationship between the structures of off-axial optical systems and the corresponding off-axial aberrations.     

Design of unobscured reflective zoom system with three mirrors

A method for the design of an unobscured reflective zoom system with three mirrors is described. This method applies the vector aberration theory, which helps designers analyze third-order aberrations for optical systems with decentered and tilted surfaces. As the vector aberration theory presents the variation of third-order aberrations in asymmetric systems through analytic expressions, real ray tracing is unnecessary. Hence, the design with vector aberration theory is faster, and the analytic expressions are more comprehensive and intuitive. To demonstrate the practicability of the method, a design example is given, which shows that the presented method can guide designers achieve a good unobscured reflective zoom system with three mirrors.     

磁圆形透镜和磁六极透镜的复合系统的象差

近来磁六极透镜作为球差校正器引起了人们的注意。本文研究了磁圆形透镜和磁六极透镜的场分布叠加形成的复合系统的象差。我们在复数域中定义了内积,采用了复数的表象和微分算符,全面讨论了这种复合系统的高斯光学性质及二、三、四级象差,得出了各级象差所有的象差系数的公式。 关键词：     

折衍混合单透镜的色球差校正研究

分析研究了小视场折射混合单透镜的设计中，当衍射面同时用于消色差和球差时光焦度分配的最优方案，得到了改进的光焦度分配公式，通过设计实例表明，由该改进公式可得到了较好的初始结构，能够有效地克服了衍射光学透镜校球差时产生的较大的色球差，验证了此改进公式的正确性和有效性，此改进公式对折衍混合系统的设计具有指导意义。     

自由曲面成像光学系统设计:理论、发展与应用

传统球面以及非球面可供光学系统设计使用的自由度较少.自由曲面打破了旋转对称以及平移对称的几何约束,特别适用于校正非旋转对称系统的像差,同时可以减少系统中元件的数量,减小系统的体积与质量,实现传统光学系统难以实现的系统参数、结构与功能.自由曲面为光学设计的发展注入了巨大潜力,但同时也带来了全新的困难与挑战.概括性地总结了...     

偏心和倾斜光学系统的像差特性

运用一种新的分析偏心和倾斜光学系统初级像差特性的方法—矢量像差理论,分析了具有较大交叉倾斜角的平行平板光学系统和具有较大倾斜角的光楔光学系统的像差特性.通过ZEMAX光学设计软件像差分析功能中的垂轴像差曲线、场曲曲线和点列图加以比较,两者非常吻合,证明该理论可以对具有较大倾斜元件的非共轴光学系统设计起指导作用.     

Aberrations of a slightly inclined Gaussian beam in a symmetric optical system

We discuss the Seidel-type aberrations which degrade the quality of the Gaussian beam, while the beam axis is slightly inclined to the axis of an optical system. First we examine the evolution of a complex-source-point spherical wave through multiple spherical boundaries. Then we find a ray-optical solution for the diffracted beam that can be represented as a function of Seidel-type aberrations. We also formulate the characteristic parameters of the aberrated beam. If the beam axis is placed at the yz plane, the x component of beam quality factor is degraded by both spherical aberration and field curvature, and the difference in the x and y components of beam quality factor is caused by linear coma, linear astigmatism, and distortion. The fourth order theory of propagation of the Gaussian beam presented here may be applied to determine the parameters of a slightly inclined Gaussian in a symmetric optical system.