低电压驱动液晶变焦透镜的设计与优化

在单圆孔电极液晶透镜基础上进行结构改进,形成双层非对称新型液晶透镜。结合几何光学和液晶理论,利用Zemax模拟并优化该双层结构液晶透镜参数。由Zemax分析可知,在相同的低驱动电压(2.5Vrms~20Vrms范围),0°、3.5°、5°视场角中,双层结构透镜相比于单层结构透镜,可获得更宽的调焦范围,短焦焦距f从19.6172mm缩小到9.9059mm;像差显著减小;该光学调制传递函数(MTF)为0.6时,径向分辨率从12.06lp/mm提高到21.02lp/mm,提高近一倍,图像解像力和清晰度显著提高,并且高频部分MTF由0.1增加到0.3。最后,实验验证了20Vrms时,双层结构液晶透镜的衍射光斑最小。     

128×128元频率驱动变焦液晶透镜阵列

理论上分析并从实验上验证了通过改变外加电场的频率来驱动的128×128元变焦液晶透镜阵列。将上电极设计为圆孔阵列,由于圆孔电极在单元区域内形成的非均匀电场分布,从而使液晶分子在不同位置处旋转角度不同,在液晶层内形成了折射率梯度分布,由此单元区域具有了光学聚焦特性。分析了由于外加电场频率改变引起液晶介电常数变化给液晶透镜阵列焦距带来的影响。实验中制作的液晶透镜阵列的焦距调节范围为20～600μm,焦点尺寸为10μm,响应时间为微秒量级,可以呈清晰的多重影像。通过使用外加电场的频率可以得到变焦液晶透镜阵列,降低了液晶透镜阵列的工作电压,提升了液晶透镜阵列工作响应速度。     

大视场纳型星敏光学系统公差灵敏度研究

通过分析光学系统结构参数变化对像差的影响,提出通过优化各光学表面的曲率进行光焦度合理分配来减小各表面产生的初级像差,从而实现降低各加工装调公差灵敏度的方法.利用该方法优化了一个小像差相互补偿的焦距为25mm,全视场角为26°,入瞳孔径为18mm,光谱范围为500～800nm的大视场纳型星敏感器光学系统,系统全长40mm,光学系统成像质量满足指标要求.与所设计的大像差相互补偿光学系统进行了公差灵敏度对比分析,结果表明:光焦度合理分配后的光学系统,第5片透镜的厚度公差对均方根弥散斑半径的影响从3.75μm降低到0.17μm;第5和第6元件间隔公差对均方根弥散斑半径的影响也分别从4.36μm和4.74μm降低到0.25μm和0.18μm.蒙特卡罗分析表明,均方根弥散斑半径小于7.59μm的概率从23%增加到了80%.实验测试结果表明,星敏感器在全视场范围内,能量集中度在Φ17μm范围内优于80%,满足星敏感器的指标要求.     

基于个体眼光学结构的角膜与晶状体的像差补偿

研究角膜对晶状体波前像差的影响对现行的个性化视觉矫正手术有-定的参考价值.运用光学设计软件Zemax,根据个体人眼的角膜地形图、眼内各部分轴向间距和全眼波前像差数据,为22只人眼构建了个体眼光学结构.基于个体眼光学结构和衍射光学理论计算了眼内、外不同位置处的波前,获得了角膜对晶状体波前像差的影响.结果表明,角膜和品状体像差存在补偿和叠加两种关系.大多数眼睛,角膜对晶状体像差有一定补偿作用.总体像散的均方根(RMS)值比品状体像散的RMS值减小0.08～1.48μm,相当于10.1%～77.5%.总体高阶像差的RMS值比晶状体高阶像差的RMS值减小了0.06～0.85 μm,相当于3.8%～79.4%,平均减小了50.7%.其中,球差和彗差的Zernike系数绝对值总体比晶状体分别减小了0.02～0.60μm和0.01～0.39μm,相当于4.3%～98.4%和2.5%～91.4%.     

负折射率材料透镜的消色差

以工作在近红外波段0.848 μm～1.114μm,焦距100 mm,入瞳直径20 mm,具有负阿贝数的负折射率平凹透镜为例,介绍了两种对该类负折射率透镜的消色差设计方法,即利用正折射率材料透镜与负折射率材料透镜组合消色差和负折射率透镜中引入衍射光学元件实现折衍射混合透镜消色差方法.结果表明,正负折射率材料透镜组合消色差方法中正折射率材料透镜承担几乎全部光焦度,进而引入大量额外单色像差,但利用衍射光学元件可以在不引入额外像差的同时实现负折射率透镜的消色差.根据负折射率材料在介质与空气分界面的特殊折射特性,推导了以负折射率为基底的衍射光学元件的衍射效率公式,得到衍射微结构高度公式,求出不同波长处的衍射效率值.负折射率二元衍射光学元件在设计波长0.912 μm处衍射效率为40.53％,在波长0.848 μm处的衍射效率为35.06％,在波长1.114 μm处的衍射效率值为39.83％.     

600mm望远镜液晶自适应系统成像光路设计

为了与600 mm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.根据望远镜的参量、大气湍流的特性和液晶的特点提出设计要求,然后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.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35 m, F数为58.求得光学系统在像面处的极限线分辨力为44.8 μm,成像CCD的像元尺寸为16 μm,满足采样定理.液晶自适应光学系统的调制传递函数与衍射极限传递函数非常接近,而且系统的光程差像差在0.1λ左右,说明系统具备优良的光学性能.     

折射/衍射混合红外双焦光学系统设计

利用二元光学元件消色差和对波面进行任意整形的特点，将二元衍射面应用于红外双焦光学系统中，对变焦方程的解进行了分析，给出了具体的系统设计实例.设计结果表明，在仅使用4片锗透镜的情况下，系统焦距为80 mm，F数为0.8时，系统垂轴像差小于72μm，在10lp/mm时光学传递函数大于0.8；系统焦距为160mm，F数为1.6时，系统垂轴像差小于35μm，在10lp/mm时光学传递函数大于0.7. 关键词： 红外变焦光学系统 折射/衍射混合透镜 光学设计     

谐衍射/折射双波段系统设计

将谐衍射透镜成功地引入红外凝视阵列探测器双波段系统的设计中,使系统在3．7～4．3μm的中波红外和8．7～11．5μm的长波红外波段同时较好的完成了像差校正。光学传递函数在两个波段范围内,在18lp／mm时的归一化值均大于0．5,接近衍射极限。该系统具有100％冷光栏效率。设计结果表明,谐衍射透镜的光谱特性介于折射透镜与衍射透镜之间,色散大小可以控制,降低了对工艺水平的要求,使红外双波段系统结构紧凑,透镜组片数少、分辨率高。为红外光学设计提供了一种全新的器件。     

具有变视场性能的中红外光谱系统设计与研究

为了用同一设备对目标在中红外光谱段同时实现跟踪和捕获,针对像元尺寸为15μm×15μm的新型大面阵640×512红外探测器,设计了一套大面阵中红外光谱变视场探测成像系统,系统光谱范围为3.7~4.8μm,F数为4.0,窄视场为0.45°,宽视场为0.90°,通过利用机械机构在窄视场结构中切入两片透镜实现宽视场结构,应用二次成像技术不仅有效减小了前固定组透镜口径,而且实现了100%冷光阑匹配,减小了进入红外探测器的杂光。该系统仅采用了锗和硅两种常用的红外材料,为了有效校正系统的轴外像差和高级像差,并保证变视场系统两种结构的齐焦性,系统应用了非球面技术。设计结果表明,奈奎斯特频率33lp·mm-1处,系统的窄视场和宽视场的传递函数值均优于0.2,所有视场畸变均小于0.5%,具有优良的成像性能。在极端温度-35~55℃范围时,该大面阵中红外光谱变视场探测成像系统窄视场结构和宽视场结构的成像质量变化不大,满足使用要求。     

光学被动式和机电式组合消热差方法的研究

为了解决机电式消热差中光学系统热差太大,透镜的移动不能补偿温度变化引起的像面漂移问题,提出光学被动式和机电式消热差相结合的无热设计方法。该方法先通过光学被动消热差方法得到合理的消热差透镜组合,使热差控制在较小的范围内;然后通过机电消热差的方法消除剩余热差。在(-40～60)℃温度范围内,利用该方法对波长为(7.5～10.5)μm的双视场红外光学系统进行无热化设计,借助传递函数(MTF)对设计结果进行评价,说明该设计在整个温度范围内满足系统像差要求。     

鱼眼镜头光学系统的非球面优化设计

应用非球面提高光学系统成像质量是镜头设计的常用手段。基于平面对称光学系统的波像差理论,通过分析鱼眼镜头各光学面的波像差贡献,将波像差贡献突出的光学面作为应用非球面的待选对象,结合波像差随非球面系数的变化趋势,确定应用非球面的光学面;应用优化算法和基于光线点列图分布定义的评价函数优化鱼眼镜头系统。通过对一个鱼眼镜头实例进行非球面优化,其点列图范围从全球面优化设计时的200 μm下降到100 μm,其评价函数值下降1个数量级,证明该方法能明显提高镜头的成像质量,对如何有效应用非球面优化鱼眼镜头的光学系统具有借鉴意义。     

液滴透镜在电场中的变形研究

利用电场作用操控液滴面形获得非球面液滴透镜,并实时检测其光学性能,利用紫外光固化技术使液滴透镜固化得到固体非球面透镜.实验测量了液滴透镜的面形并经过图像处理提取面形轮廓,经多项式拟合得出液滴透镜的面形表达式.比较了不同强度电场作用下的液滴透镜面形,计算了主曲率随电场的变化规律,讨论了液滴透镜在电场中的变形机制|根据透镜面形表达式,采用光线追迹法得出了液滴透镜的焦距随电场的变化规律,结合ZEMAX软件计算了3 550 V时液滴透镜的最大波像差为0.32个波长,Strehl Ratio为0.74,及光学传递函数等参数,计算了所制作的非球面透镜的像差,为低像差非球面透镜的研制提供了依据.     

液滴透镜在电场中的变形研究

利用电场作用操控液滴面形获得非球面液滴透镜,并实时检测其光学性能,利用紫外光固化技术使液滴透镜固化得到固体非球面透镜.实验测量了液滴透镜的面形并经过图像处理提取面形轮廓,经多项式拟合得出液滴透镜的面形表达式.比较了不同强度电场作用下的液滴透镜面形,计算了主曲率随电场的变化规律,讨论了液滴透镜在电场中的变形机制;根据透镜面形表达式,采用光线追迹法得出了液滴透镜的焦距随电场的变化规律,结合ZEMAX软件计算了3 550 V时液滴透镜的最大波像差为0.32个波长,Strehl Ratio为0.74,及光学传递函数等参数,计算了所制作的非球面透镜的像差,为低像差非球面透镜的研制提供了依据.     

电控聚合物分散液晶变焦全息透镜制作

介绍了相位型全息聚合物分散液晶(PDLC)材料全息透镜,在电场作用下液晶微滴折射率逐渐与聚合物折射率匹配,实现透镜电控变焦。研究了微米尺寸和纳米尺寸液晶微滴聚合物分散液晶材料配方特性和微观结构。采用优化纳米尺寸材料配方制作5~6μm聚合物分散液晶盒,采用离轴式平面波和球面波干涉全息写入光路,成功制作电控变焦聚合物分散液晶全息透镜样品。该透镜样品焦距为20 mm,能够正一级衍射放大成像。实现“0”,“1”变焦的驱动电压阈值为60 V。并进一步提出了基于聚合物分散液晶电控变焦元件集成叠加技术实现电控变焦光学成像系统的技术思路。     

A study of a liquid-filled lens module with a flexible sensor for aberration correction

This study introduces the concept of a liquid-filled lens module; the module is composed of a flexible lens membrane, a flexible sensor membrane that is constructed by attaching sensor chips onto a flexible substrate and transparent liquid that fills the space between the flexible lens membrane and the sensor membrane. The image quality of the liquid-filled lens module is comparable to that of a solid lens module with a flat-type image sensor. However, the liquid-filled lens module has the advantages of requiring fewer parts, having better optical aberration compensation, a wider image range. This study identifies the optimized conditions for the sensor membrane to fulfill the Petzval surface of the optical module and the compensation mechanism of the flexible lens and the sensor membranes. The simulation results show that the distortion aberration, the field of curvature and the Modulation Transfer Function are good.     

近红外成像光学系统设计

为了明确近红外成像光学系统对杂散光的抑制能力,设计了一个光谱为0.75 m ~1 m,焦距12.002 mm,F/1.8,视场1515的光学系统,其结构为改进型的双高斯结构。实验结果表明:设计的光学系统的各视场光斑在艾瑞斑内,焦移量最大为4.9 m,球差约为1 m,垂轴像差最大为3 m,MTF接近衍射极限。对设计的光学系统进行了杂散光评估和杂散光抑制,得到了杂散光抑制前后的点源透射比。分析结果表明:与未加遮光罩相比,加入遮光罩的光学系统PST值下降了76.6%~87.5%。     

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。     

太阳光光纤耦合光学系统设计

介绍一种长焦距、大口径太阳光光纤耦合系统的光学设计。为达到减小大口径单透镜汇聚太阳光所产生的球差和色差的目的,采用聚光透镜后增加消像差光学系统的方法,并用Zemax软件设计优化出适用于光纤耦合的光学系统,经过优化设计得到光斑半径为45.043 m,能量集中度达95 %以上,像方孔径角为9.090 2,系统总长525.584 mm,满足数值孔径为0.22,芯径直径为1.5 mm的石英光纤的耦合要求。     

Effect of the geometry of the aberration focusing of a convex-flat lens on the angular parameters of the second optical harmonic

The dependences of focal length F of an actual convex-flat lens on radius ρ of its annular zone and distance x (the magnitude of the transverse spherical aberration) of the intersection of rays on angle α between a beam emerging from a certain annular zone of the lens and the optical axis of the system are determined by means of normals and tangents. The results from investigating the correlation between the geometric optical parameters of the focusing convex-flat lens and the spatial-angular parameters of light converted in a nonlinear crystal (the optical second harmonic) are presented.