基于非球面基底的红外谐衍射元件设计

根据谐衍射透镜的特点以及非球面校正像差的独特性能,将谐衍射面制作在非球面基底上制成单透镜,该单透镜应用于红外系统中,能够在两个波段1．8～2．4μm和3．4～4．8μm内同时较好地校正系统的色差,有效地校正此单片镜系统的像差,在设计波段内大幅度提高了衍射效率,成像质量接近衍射极限。     

凝视型长波红外折衍混合光学成像系统设计

设计了一套折衍混合凝视红外热成像光学系统.该系统工作波段为8~12 μm, F数为1,全视场达12°, 总长140 mm,两个透镜均采用锗材料。衍射器件制作在第二片透镜的凸面上，可以采用金刚石车削技术进行加工．该系统成像质量接近衍射限并且相对折射系统更好地校正了色差.     

新型轻量化可见光光谱仪成像系统研究与分析

利用衍射光学元件消色差和对波面进行任意整形及自由曲面光学元件校正像差的特性,将衍射光学元件和自由曲面光学元件应用于传统可见光光谱成像光谱仪成像系统中,提出了一种新型的可见光光谱成像光谱仪成像系统,基于衍射光学元件独特的负色散特性,用一片折射/衍射混合光学元件代替传统的双胶合透镜来实现消色差,基于自由曲面光学元件的多自由度特性,在系统中引入两个自由曲面光学元件对系统中的像差进行有针对性的校正,针对具体的设计实例给出了详细的设计步骤,设计结果表明,在相同的参数指标前提下,新型系统仅为4片式结构,和传统系统相比,重量减轻22.9%,总长缩短26.6%,最大口径减小30.6%,调制传递函数值最大提升为1.0视场,调制传递函数值提高0. 35,最大畸变减小1.6%,最大垂轴像差减小56.4%,轴向色差减小59.3%,新型系统各方面的性能都得到了较大的改进,为现代高性能、轻小型可见光光谱成像光谱仪成像系统设计提供了一种新的途径。     

双波长视网膜成像自适应光学系统的轴向色差补偿方法

双波长视网膜成像自适应光学系统非常适用于视网膜微血管的高对比度和高分辨率成像。本文重点研究了双波长自适应系统的轴向色差补偿问题。首先对轴向色差进行了测量,对实测波前进行了分析,并给出任意波前轴向色差补偿法。自适应校正实验结果显示,色差补偿后,波前均方根误差减小到0.16λ(λ=589 nm),视网膜微血管分辨率提高到6μm。这项工作可用于视网膜成像的临床应用。     

基于眼模型的折/衍混合眼底相机设计

应用二元衍射光学理论,设计了一个基于Gullstrand-LeGrand眼光学模型的折／衍混合免散瞳手持式数字眼底相机．该相机的视场角28°,摄影系统由五片透镜构成,其中包含一个二元面．在综合考虑人眼本身和外部系统的像差后,实现了全视场200万像素的高清晰成像,具有较大调焦能力,对-10D至7D屈光度人眼普遍适用．结果显示,该系统成像分辨率高于120lp／mm,场曲值小于0．75mm,畸变仅为7．0％,色差小于3．5μm．衍射光学元件的引入,有效地简化了系统,减小了重量和体积．     

用于活体人眼视网膜观察的自适应光学成像系统

利用自适应光学技术,研制了两套活体人眼视网膜高分辨力成像系统,在实时校正人眼波前误差的基础上,实现活体人眼视网膜细胞尺度的高分辨力成像。这两套系统分别采用19和37单元小型压电变形反射镜作为波前校正元件,哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器测量波前误差,用眼底反射的半导体激光作为波前探测的信标。在用计算机控制自适应光学系统实现人眼波前误差校正后,触发闪光灯照明视网膜,用CCD相机记录视网膜的高分辨力图像。校正后的残余波前误差的均方根值已分别小于1／6和1／10波长,相当于视网膜上成像分辨力分别为3．4μm和2．6μm,接近衍射极限。试验表明37单元系统的成像质量更好。     

基于胶合棱镜的AOTF成像光谱仪横向色差校正

设计声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪时,ZEMAX等软件缺乏AOTF光学表面,导致光学设计困难,本文根据波矢量匹配原理,在ZEMAX中建立了基于声光衍射效应的AOTF自定义表面模型,实验表明该模型能够实现AOTF的衍射光精确追迹。在此基础上,针对传统方法校正AOTF横向色差时残差较大的问题,提出了基于胶合棱镜的高精度横向色差校正方法,结合AOTF自定义表面,完成了胶合棱镜的玻璃组合和顶角的自动优化。结果表明,文章提出的自定义表面和胶合棱镜色差校正相结合的方法大大方便了AOTF成像光谱仪的设计,能够将横向色差控制到0.000 3°,比以往方法提高了一个量级,有效抑制了光谱图像的漂移。     

多光谱消色差成像流式细胞仪的光学系统设计

为了解决成像流式细胞仪多色、宽波段、长工作距离以及大数值孔径等难点,设计了1款多光谱成像流式细胞仪光学系统。系统基于模块化设计思想,灵活运用部分和整体的优化方法,保证各模块的相对独立性;显微物镜引入衍射元件对宽谱段色差进行校正,保证在全波段下成像质量均达到理想的性能指标;多光谱分解镜组采用二向色镜堆栈分光,多重结构同时优化6个通道,大大降低了系统对色差的校正难度。全局优化得到最终的光学系统,放大倍率为60倍,视场为60μm×128μm,波段为420~800nm,6个分光通道,分辨率达到0.5μm,成像质量接近衍射极限。     

实现复消色差的超常温混合红外光学系统

讨论了利用二元光学元件实现红外光学系统消热差的原理和方法,分析了二元光学元件的色散特性及其在校正二级光谱中的优越性,给出了实现复消色差和超常温消热差的混合红外光学系统设计实例.该系统焦距100mm,相对孔径1/2,视场角6°,工作波段8—11μm;采用了两种最常用的硅和锗材料,共三片,结构简单.在-80—200℃的超宽温度范围内,成像质量稳定并达到衍射极限,约在系统0.7孔径处轴向像差曲线基本相交于一点,实现了系统的复消色差. 关键词： 红外光学系统设计 消热差 复消色差 折射/衍射混合光学系统     

折/衍混合红外光学系统的消热差设计

研究了衍射光学元件的温度特性以及混合红外光学系统的消热差设计方法.设计了工作在3.7～4.8μm,视场4.5°,具有100%冷光阑效率的折射/衍射混合红外光学系统.该系统在-30～70℃温度范围内成像质量接近衍射极限,可用于像元尺寸为30 μm的制冷型凝视焦平面阵列探测器上.     

The study of correction for chromatic aberrations of human eye with diffractive–refractive hybrid elements

A chromatic corrector with two refractive–diffractive hybrid elements is designed over a reasonable wide field-of-view of 7° to correct the chromatic aberrations of human eye. We investigate the performance of the corrector using several optical criteria in a comparison with the chromatic corrector with single refractive–diffractive element. Both the correctors can correct the longitudinal chromatic aberration (LCA) fairly. It is demonstrated that the chromatic corrector with single element introduces serious eccentric transverse chromatic aberration (TCA), which deteriorates the image quality at the edge field-of-view. On using the chromatic corrector with two refractive–diffractive elements, not only the LCA but also the TCA can be corrected very well. The designed chromatic corrector can be used to improve the retinal image quality and has potential application in the design of visual instruments.     

Studies of transverse chromatic aberration based on individual eye model

Two kinds of individual eye models, with and without involving the angle between visual axis and optical axis, are constructed according to the measurements of the corneal surfaces, the optical axis lengths and wavefront aberrations. The constructed eye models are then used to investigate the properties of the transverse chromatic aberration (TCA) and its influence on visual performance. The statistical distributions of the horizontal TCA, vertical TCA and the absolute magnitude of the TCA over the spectrum from 470 to 650 nm are provided, respectively. The variations of TCA with wavelength as referring to the central wavelength of 555 nm for five subjects are also provided. Then we evaluate the impact of TCA on image performance in comparison with longitudinal chromatic aberration (LCA). It is shown that LCA is more detrimental than foveal TCA in image quality. It is found that, while LCA was corrected well, the foveal TCA is simultaneously corrected. Finally, we investigate the correction of peripheral TCA with an achromatizing element. The correction of peripheral TCA of human eye strongly depends on the location of the achromatizing element, and with the element in front of the eye, the peripheral TCA cannot be corrected.     

线性色散设计的光谱共焦测量技术

研制了高精度的光谱共焦位移测量系统并完成相关测试。基于色差理论和材料优化选择设计一种色差与波长成线性关系的色散物镜,有助于平衡系统在全测量范围的灵敏度。理论分析了系统参数对系统的影响规律,计算了针孔尺寸与系统的分辨率和信噪比的关系,给出了参数优化结果。利用设计的线性色散物镜和参数优化结果,构建了光谱共焦测量系统,完成了系统的校准、测试和应用研究。结果表明,系统的轴向测量范围达到1 mm,分辨力优于0.5μm,全程测量误差小于2μm,符合设计要求。     

基于固定校正板和透镜阵列的机载共形窗口像差校正

为了校正大扫描视场机载共形窗口引入的像差,提出一种基于固定校正板和透镜阵列的静态校正方法。首先使用固定校正板校正静态像差;然后在像面前安置固定的透镜阵列,利用透镜阵列中的各个透镜单元分别校正不同扫描角度的动态像差;最后基于所提方法设计应用在机载共形光学系统中的像差校正器。设计结果表明,所提方法在±42°的扫描视场范围内能够良好地校正共形窗口引入的像差。与其他动态或静态校正方法相比,所提方法可以实现大扫描视场机载共形光学系统像差的校正,同时降低机载共形光学系统的质量,提高系统的稳定性。     

用于光纤传像束的折-衍混合光学耦接器研究

在光学耦接器设计中引入衍射面，根据衍射光学元件的三级像差理论，分析了衍射面初始结构参量的求解规律，通过理论计算和ZEMAX光学软件的优化，给出工作波长0.4~0.7 μm，焦距27.5 mm，光学长度为64 mm，采用一个衍射面的耦接器设计实例.该耦接器适用于单丝直径16 μm，截面直径为6 mm的光纤传像束.对设计结果的分析表明，折-衍混合耦接器不仅在光学性能方面优于传统的光学耦接器，而且在尺寸和重量上有非常显著的减少.     

利用衍射光学元件进行共形整流罩像差校正的研究

建立了共形整流罩的模型结构，分析了其成像特性，并提出了采用加入衍射元件的方法来设计共形整流罩后的校正板，软件模拟结果表明带有衍射面的校正板能够进一步地改善共形整流罩成像质量. 关键词： 共形光学 整流罩 像差校正 衍射光学     

泛卡塞格林光学系统的色差研究

泛卡塞格林光学系统结构简单、像质优良,广泛应用于空间光学领域中。从对研制完成的谱段位于500～800nm的泛卡塞格林光学镜头的调制传递函数(MTF)的测量结果出发,结合泛卡塞格林光学系统的结构特点,分析表明光学设计的色差来源于其高次施密特非球面镜,提出了一种利用非球面镜的最小色差条件来改进光学系统的新方法。通过三级像差理论,分析了施密特非球面镜的面形方程,计算出最小色差条件及相应的中性带高度,进行光学设计的优化改进,取得了良好的效果。结果表明,改进后光学系统的色差由原来的31.4μm减少为4.25μm,且光学系统的MTF值达到0.6以上(40lp/mm),像质优良。该方法为类似光学系统的设计提供了一定的参考价值。     

3.7 μm～4.8 μm波段折/衍混合红外光学系统的无热化设计

研究了混合式红外光学系统的光学无热化设计方法,在设计中引入了热差互补的设计思想,将无热化应满足的设计方程作为CODEⅤ中优化的约束条件,设计出工作于3.7 μm～4.8 μm波段、F/#为2、视场角为±5°、焦距为70 mm的具有100%冷屏效率的折/衍混合式消热差物镜.该系统在-40 ℃～60 ℃温度范围内成像质量接近衍射极限,可供像元大小为15 μm的高分辨率致冷型凝视焦平面探测器使用.     

基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计

 利用ZEMAX光学软件设计出了一款适用于0.55″单片DLP微型投影机的广角数字微型投影镜头。镜头结构由6组8片镜片组成,具有结构简单、体形小、易加工、成本低等特点。镜头的有效焦距为8.25 mm,相对孔径为1/2.2,全视场角为80.5°,最大口径小于24 mm,光学总长控制在40 mm,后工作距离为24 mm。镜头有较好的成像质量,在镜头的分辨率66 lp/mm处,所有视场的MTF值均大于0.45,全视场畸变量的绝对值小于0.7%,垂轴色差小于0.5个像元大小。