多程放大系统主放大级光学优化设计

应用系统像差控制和鬼点追迹理论，采用分段优化、整体校合、整体优化的思想，对采用离轴多程放大的高功率固体激光装置的主放大级部分进行了系统光学优化设计.并将设计的结果与优化前的系统进行了对比，为今后此类系统的光学设计提供了参考. 关键词： 离轴多程放大 光学设计 鬼点追迹 系统像差     

基于鬼像和像差分析的高功率激光装置透镜设计

为了设计能够满足高功率固体激光装置需求的空间滤波器透镜,采用矩阵光学方法,分析光束经过单透镜传输时剩余反射形成各阶鬼像的过程,得到鬼像位置与透镜曲率半径的关系式.该关系式表明,透镜的曲率半径设计可以控制鬼像所在的区域.根据高功率激光装置光路排布的特点简化鬼像分析,利用自行开发的鬼像追迹软件分析了主放大级鬼像分布特点.通过改变透镜的曲率半径和倾斜透镜这两种方式,基于鬼像规避和像差最小化两种原则,最终确定主放大级透镜曲率半径的最优选择为1:3弯月型,凸面朗向光学元件集中的方向.该方法可普遍应用于指导高通量复杂光学系统的透镜设计.     

高功率激光装置中透镜一阶“鬼”点形成规律分析

高功率固体激光装置的透射元件的表面虽镀有减反膜，但这些膜层并不是完美无缺的，每一表面都反射小部分入射光，这些微弱的剩余反射光称为“鬼”光束。即使每个表面的反射率小于0．1％，对单束能量达千焦量级的惯性约束聚变驱动器来说，一阶“鬼”点仍可达到焦耳量级，极易对元器件造成损害。因此对高功率激光系统设计来说，作一阶“鬼”点位置的定量分析是非常必要的。由于在ICF激光驱动器中使用空间滤波器来滤波，所以在系统中引入透镜，这样在进行激光系统的设计时，空间滤波器透镜的光学设计就显得极为重要。另外，在考虑减小像差的同时必须考虑“鬼”点，特别是一阶“鬼”点的分布问题。     

多色光大空间带宽积傅立叶变换透镜系统的设计

本文根据傅立叶变换透镜系统的像差要求，通过研究衍射器件的色差特性和初级像差特点，提出了多色光大空间带宽积的傅立叶变换透镜的系统结构。此系统采用无光焦度的衍射器件校正傅立叶变换主镜的球差，使系统得到最大空间带宽积；还采用谐衍射器件的设计方法，使系统可对多种相干光实现光学傅立叶变换。相对传统傅立叶变换系统而言，此衍射系统结构简单，性能好，可望在光学信息处理方面得到广泛的应用。     

高功率激光系统中近轴鬼像点的寻找

考虑了空间滤波小孔隔离鬼像点的作用后，提出了寻找大型高功率激光装置中近轴鬼像点的矩阵光学方法，并根据实际系统提出了判断鬼像点虚实的可行方法。所编制出的程序可用于寻找激光放大系统中的任意高阶鬼像点。     

左手性介质透镜系统的赛德尔像差特性研究

根据初级像差理论，系统研究了由左手性介质构造的透镜系统的赛德尔像差特性.分析了左手性介质单折射曲面的赛德尔像差特性，发现其消初级球差的曲面类型比普通介质更为灵活且可用于实成像系统.依据薄透镜赛德尔和数公式，分析和设计了三种只有左手性介质才具备的可消部分赛德尔像差的薄透镜结构参数，提出了几种能同时消除全部五种赛德尔像差的由左手性介质构造的透镜组合系统.研究表明左手性介质相对于普通介质在消像差方面存在较大优势，在光学设计时可以采用更少的折射表面个数或更简单的表面形状即可到达同等的成像性能.     

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。     

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     

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。     

折衍射混合复消色差望远物镜中的色球差

一个正透镜、一个负透镜及一个衍射光学元件以不同的组合可以构成两种折衍射混合光学系统.当这两种系统消球差、彗差及复消色差后会产生不同的色球差.通过赛德尔像差理论,分析了这两种结构产生不同色球差的原因.计算表明当衍射光学元件以负透镜的平面为基底时产生的色球差为以正透镜的平面为基底时产生的色球差的7倍.对衍射光学元件以负透镜的平面为基底的情形,提出了减小系统色球差的解决办法,使系统色球差减小到0.307 mm.另外设计了一个传统复消色差光学系统,并和折衍射混合光学系统进行了比较,分析表明,衍射光学元件可代替传统光学系统中的特殊光学材料并使系统达到相同的成像质量.最后讨论了衍射光学元件的衍射效率对系统成像质量的影响.     

Aberration correction of a single aspheric lens with particle swarm algorithm

In order to design a single aspheric lens to meet the requirements of spherical aberration, the particle swarm algorithm is applied to the aberration correction for a single aspheric lens. A mathematical model is constructed, and a program code is developed. Merit functions in an optical system are employed as fitness functions, which combined coefficients of a higher order polynomial equation, a reciprocal of radius of curvature, the conic constant, thicknesses among lens surfaces and refractive indices regarding an optical system. By using this function, the automatic correction of spherical aberration is carried out. The example for a single aspheric lens design using particle swarm algorithm shows that PSO as a tool of the spherical aberration correction for a single aspheric lens is simple and effective, and easy to find a series of good design results. The asphere's more complex surface profile can reduce or eliminate easily spherical aberration at different incidence heights at one time. The automatic design and analysis of a single aspheric lens using this method from the view of a particular optical design problem are presented.     

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。     

激光靶心冲击波观测镜折反式光学系统设计

设计了一种激光靶心冲击波观测镜的光学系统.用反射式光学系统代替折射式光学系统,解决了普通玻璃在200 nm端透过率较低的问题.反射镜不引入色差,有利于系统在200~800 nm谱段消色差.为消系统轴外像差,反射系统选型为对称式.反射镜全部采用球面镜,为消反射镜以及平板玻璃窗带入的球差,引入校正镜(材料JGS1),在满足要求的条件下,控制折射镜的厚度,使系统色差满足瑞利判据的色差允差,得到了良好的成像质量.     

用2种光学设计软件对像差特性进行的研究

目前用于光学设计的计算机辅助设计有许多种,但它们在像差特性参数的形式和表示方法上不尽相同,特别是国内外软件的这种差别更为明显,例如：ZEMAX将球差表示为“Longitudinal aberration”(纵向像差),其表示形式也与国内软件不同。另外,有些像差参数需要转换。采用美国焦点软件公司开发的光学设计软件ZEMAX和国内北京理工大学编写的DOS版CAOD对同一双胶合透镜进行光路计算,同时对其轴上球差、彗差、场曲和畸变等主要几何像差在2个软件之间的差别进行比较,以建立国内软件与国外软件在进行光学镜头设计时的光学像差特性参数的转换关系,并为光学设计者提供设计一种镜头或光学系统时使用不同的软件进行数据核查和复算的方法。     

一种凸非球面镜补偿检验的新方法

凸非球面检验是光学检验中一个比较困难的问题。结合一块Φ110mm的凸双曲面镜,在分析几种传统检验方法的基础上,提出了一种用透镜组补偿检验凸非球面的新方法。令球差系数∑S1=0,用三级像差理论求解光学系统的初始结构,并通过Zemax光学设计软件对初始结构进行优化,克服了传统检验方法的缺点和不足。从设计结果可以看出,系统的像差得到了很好的校正,使得凸双曲面达到了很高的检验精度,从而使非球面的检验更加方便。     

衍射极限非球面准直透镜

介绍了一种新的非球面透镜设计方法。通过非球面方程中二次曲面常数和非球面系数对光学系统像差的贡献来设计非球面透镜,并详细分析了非球面设计过程。设计了数值孔径NA=0.37, 纤芯Φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光器的非球面准直透镜,其焦距f=50mm。从像质评定可以看出, 非球面准直镜几乎接近衍射极限, 整个系统的波像差小于0.3λ。实验表明： 采用非球面准直系统能最大限度地利用光能率和提高光束准直性, 证明了设计方法基本正确。     

用粒子群算法进行单个非球面透镜的球差校正

为设计出符合球差要求的单个非球面透镜,把粒子群算法应用到单个非球面透镜的球差校正中,构造相应的数学模型,并编程实现算法.设计关于非球面高次多项式的顶点曲率半径,高次多项式各项系数,透镜面之间的距离和玻璃折射率等光学系统结构参数的适应度函数,用这个函数作为评价函数,实现对球差的自动校正.给出用粒子群算法进行单个非球面透镜设计的实例,结果证明:粒子群算法用于非球面透镜的球差校正简单有效,能同时校正不同入射高处的球差,且容易发现一系列好的设计结果.从实际光学设计角度呈现使用这种方法进行单个非球面透镜的自动设计分析.     

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。