高斯光束的象差平衡

本文从有象差时的衍射积分出发,导出高斯光束中心点亮度与波象差方差的关系,依据斯特列尔判据,采用解线性方程组的方法讨论了高斯光束球差及轴外象差的最佳校正形式,并以表格方式给出了最佳校正形式.     

激光光学系统的初级象差

本文从泽尼克一高斯国多项式出发,讨论了三种初级象差(球差、营差、象散)在平衡及未平衡状态下的标准偏差同衍射孔半径与高斯光束半径之比α的关系.最后讨论了在均匀光波的最佳校正状态下,高斯光束初级象差同α的关系,得到高斯光束的初级象差可按照均匀光波象差理论进行校正的结论.     

复合的电子束扫描系统象差的动态校正

本文在文献[1]的基础上讨论了复合的电子束扫描系统象差的动态校正问题。讨论了采用不同的电磁多极场作为动态校正器的可能性。推导了圆形校正透镜、偏转校正场和四极、六极校正场引起的附加象差的公式。由此证明了由这种圆形校正透镜、偏转校正场和四极校正场等组成的动态校正系统在一定条件下可以消除复合的电子束扫描系统中大多数的三级偏转象差。 关键词：     

光盘存贮系统的物镜

引言用光学方法在涂有记录介质薄膜的圆盘上记录和读出信息是一项十分吸引人的课题。本文将重点分析和讨论有关光盘存贮技术中对光学系统物镜的要求及其象差校正。对于高密度记录和读出信息的光学头,要求物镜聚焦到光盘上的光斑大小在零点几微米的量级,镜头的成象质量要求达到衍射极限。对这种要同时考虑几何象差和衍射效应的物镜,采用波差进行设计是很合理的,一般用斯特列尔(strehl)     

适应法象差自动校正程序中若干问题的处理

本文讨论了适应法象差自动校正程序中几个问题的处理方法,这些问题主要是:象差参数的选择问题;变量尺度问题;线性检查和步长控制问题;按给定公差自动排除相关象差的问题;并介绍了一个适应法程序的流程图。     

双远距对称白光傅里叶镜头的设计

本文讨论双远距对称结构白光傅里叶变换镜头的设计方法,论述了玻璃选择、光焦度分配,象差校正和平衡等问题,并给出设计实例。     

一个非轴对称的光刻用光学系统

仅具一个对称面的光学系统一般难以校正象差。采用椭球焦点附近的成象特性和适当的球面校正系统,可以得出视场直径50～70mm,N.A.0.15～0.1,象质接近衍射极限的设计。     

共轴球面光学系统的热象差分析

本文系统分析了径向均匀温度场中,热对共轴球面光学系统的影响,得到了初级位置热象差与初级倍率热象差的一般表达式.在此基础上得到了均匀温度场中薄透镜系统的热象差表示式,该热象差表示可以用来指导无热象差光学系统的设计.最后根据上述分析,讨论了几种简单系统的热效应与无热象差设计途径.     

同轴柱面光学系统的象差

本文首先由柱面系统中描写光线所须的参数和对称性,确定了同轴柱面系统的独立象差数是八个,而对无限远物体而言则只有六个。而后由矢量代数方法证明空间光线在柱面系统中的折射光路与发生折射率改变后的子午截面内光路全同,由此得出柱面系统有别于球面系统的二种象差与色差相当。从而导出了校正柱面象差的条件并对柱面望远镜象差作了估值。结果表明,校正柱象差一般而言是很困难的,另一方面虽不加以校正影响也不算严重。最后讨论了柱面望远镜的高斯光学,结果表明,望远镜使一方向余弦按定比例缩小,而另一方向余弦不变时,它所成出的直线的象是弯曲的。     

光学系统象差的实时补偿

本文讨论了以适当光瞳函数来补偿光学系统象差的可能性,指出这是希尔伯特空间中的泛函极小化问题,得到了使波差方差极小解的一般形式,特别研究了以环状位相光瞳补偿对称象差的效果,并以S.D值作判据,用求总极值的方法确定滤波器的各个参数,并以MTF的观点对几种情况作了比较和讨论。     

Optical system design of the Dyson imaging spectrometer based on the Fery prism

Imaging spectrometer has obtained wide development since rich feature information can be obtained by it; now, we focus on its high spectral resolution and miniaturization. In this paper, we design the Dyson imaging spectrometer system based on Fery prism. The average spectral resolution is 4.3 nm and the structure of the total length is 229 mm. It is a small, high-spectrometer imaging system. The front and rear surface of the traditional prism are plane, but the surfaces of the Fery prism are spherical, which can provide some optical power to realize imaging function and produce the dispersion effect. The Fery prism does not need to be placed in the parallel optical path, which simplifies the collimator lens and the imaging lens and are necessary in the prism spectrometer, making it possible to obtain a compact spectrometer. Full-spectrum transmittance of the prism is up to 94 %. Compared to the convex grating, the energy efficiency is greatly improved, and the free spectral range is wider, and its dispersion will not bring higher-order spectral aliasing problem. The small high spectrometer only includes two components. Its spectral range is from 400 to 1000 nm, covering the near-ultraviolet to near-infrared. The various aberrations of the typical spectrum are corrected. The spectrometer is excellent in performance.     

宽波段高分辨率Dyson成像光谱仪设计研究

主要对一种远心成像光谱仪系统,即Dyson成像光谱仪进行了设计研究。这种成像光谱仪结构简单紧凑,仅由一个半球透镜和一个凹面光栅组成。在Rowland圆与折射理论的基础上,分析了Dyson成像光谱仪在宽波段下可消除像散的重要条件,即光栅半径与半球透镜半径之比,并获得了具备极高光学性能的光学系统参数计算条件。为了使这种成像光谱仪更适宜于工程化应用,又在其基础之上设计和分析了探测器表面脱离半球透镜的方法。设计实例获得了数值孔径0.33,工作波段0.38~1.7 μm,狭缝长度15 mm,像面表面成像斑均方根值半径小于2.5 μm的Dyson成像光谱仪结构和改进后的像斑均方根值半径小于8 μm的改进型Dyson成像光谱仪结构。该设计方法和设计结果合理可行,优化结构性能优越,并可用于工业及遥感等多个领域。     

小型高光谱分辨率光栅单色仪的研制

单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备,为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标,设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。采用水平式Czerny-Turner光路结构,以高光谱分辨率为出发点,通过推导计算,从光栅选型、焦距计算、狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路,给出仪器的重要必要结构参数,并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。根据光栅单色仪的光路特点,对入射狭缝组件、准直物镜组件和成像物镜组件、扫描结构、机身等进行轻小型机械结构设计,并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系,完成了仪器的整体结构设计和装调。应用汞灯可见光光谱进行波长定标,采用最小二乘法得到定标曲线,并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法,求得仪器的波长重复性和波长准确度;仪器在400~800 nm波长范围内,光谱分辨率优于0.1 nm,波长重复性达±0.096 6 nm,波长准确度达±0.096 9 nm。     

可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计

为了满足地物成像光谱分析的需要,设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜;通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构;通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距;通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000nm,视场角为40°,全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67,光谱分辨率小于3nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验,实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像,性能良好.     

平场全息凹面光栅制作结构与使用结构之间误差补偿作用的数值模拟与实验验证

通过对优化计算出的平场全息凹面光栅制作结构(曝光记录结构)和使用结构(光谱仪分光结构)之间各个参数进行联合数值模拟,得出如下结论：在优化设计参数值附近一个较大范围的误差区域内,平场全息凹面光栅的制作结构参数误 差和使用结构参数误差可以相互补偿,最终补偿的结果可以使光谱成像质量达到与原设计结构相当的水平,满足光谱仪器的使用要求。文章给出了数值模拟结果以及与其相符的实验验证结果。此补偿作用有利于降低平场全息凹面光栅制作 中各个参数精度的调节难度,并且可以对实际使用过程中光谱仪器的设计和装调进行理论上的指导。     

曲率半径误差对平场全息凹面光栅分辨率的影响及其补偿方法

在平场凹面全息光栅的没计制作中,不可避免的存在曲率半径误差,严重影响光栅光谱仪的分辨率.为了从理论上分析并指导光谱仪器的设计和装调,运用几何光线追迹方法计算并分析了不同曲率半径误差下光谱像宽度的变化规律,发现在一个较大的误差范围内子午焦线的位置随着曲率半径的变化前后平移,同时其弯曲程度几乎没有改变.数值计算发现通过调整像面位置或人臂长度均能够补偿曲率半径的误差.数值模拟结果显示,修正使用结构后的光栅能够达到与设计结果相近的成像质量.     

Double-pass grating imaging spectrometer

A double-pass grating imaging spectrometer is proposed and demonstrated. The traditional entrance slit is replaced by a middle reflective slit, which is used as a spectral filter rather than a spatial filter. The light from the scene passes through the same dispersive grating twice. The full image of the scene can be obtained with a snapshot. Therefore, the stripe noise and image distortion caused by image mosaicking can be eliminated.Besides, the target is easier to be captured and focused, just like using a camera. This method can be used to obtain clearer spectral images of the scene conveniently and quickly.     

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

 成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。     

Enhanced transmission through nano-aperture on a tapered metallic substrate

The optical transmission and distribution through a subwavelength slit on a tapered metallic substrate was investigated. By using a 45° tapered structure rather than a traditional metallic plate, a 6-fold transmission enhancement could be achieved. This is due to the asymmetrical excitation of surface waves and the matching of propagation constants between the surface waves and slit waveguide. In addition, by patterning surface corrugations in the exit plane, the beam could be focused. By tuning the period of the surface corrugations, we were able to adjust the focal length. For an input wavelength of 0.5 μm, the focal point could be kept within 0.6 μm with a focal length extending from 0.5 μm to 2.5 μm and a grating period ranging from 0.5 μm to 0.6 μm.     

扭转角测量系统中焦距误差分析

针对莫尔条纹测量扭转变形方案，分析了双光栅在光学系统存在焦距误差时对扭转角测量精度的影响。通过在传统的莫尔条纹测量扭转角理论公式的基础上引入焦距对于光栅像的缩放效应，推导出含有焦距因子的扭转角测量模型。由模型可知,随着光学系统焦距差异的增大，对应的扭转角也会随之发生较大变化。特别当光栅夹角在小角度范围（1°～3°）内变化时尤为明显，最终影响到扭转变形的测量精度。在设计的实验中，利用2个已知焦距的光学系统，通过采集莫尔条纹图像进行扭转角精度分析，验证了该文提出的理论。