基于微透镜阵列的电子内窥镜光学系统设计

为了满足现代医疗领域中对内窥镜小型化、大视场的需求,采用反远距光学结构作为初始结构,利用Zemax光学设计软件在原有结构中加入5×5微透镜阵列,得到了一种工作于可见光波段、全视场为110°、焦距为1.55mm、F数为4.2、最大通光口径为3.15mm、系统总长为7.99mm的高清电子内窥镜物镜光学系统。该系统由6片透镜组成,以光阑面为界分为前组和后组,其中前组包括一片前后两面均为阵列面的镜片,后组包含一组双胶合透镜。整个系统的光学调制传递函数在120lp/mm处达到0.36,接近衍射极限,满足医疗使用的要求。设计结果表明,微透镜阵列在不改变口径的条件下对增大内窥镜光学系统视场有明显优势,在医疗领域具有广阔的应用前景。     

面向中距衍射多焦点人工晶状体设计

运用ZEMAX光学设计软件基于Liou-Brennan眼模型,材料选用疏水性丙烯酸酯,设计了前表面为衍射面,后表面为非球面的多焦点人工晶体,该设计利用0级、+1级衍射级次,当物在不同位置时,使不同衍射级次发挥作用.对于所设计的人工晶体,采用的附加光焦度为1.66D,即两个焦点处的光焦度分别对应20D、21.66D,小附加光焦度的确立旨在着重优化人工晶状体在中距处的光学质量.首先基于衍射光学理论计算衍射面的衍射效率,利用ZEMAX光学设计软件得到衍射面及非球面的光学参数,继而利用MATLAB模拟仿真软件模拟衍射面位相结构及实际表面轮廓,最后利用单点金刚石超精密车床对所设计的人工晶体进行加工,根据实测光学调制传递函数分析所设计的人工晶体的光学质量并利用实测离焦量曲线验证附加光焦度的正确性.该设计满足光学调制传递函数在空间频率50lp/mm处大于0.3,可为白内障患者在不同距离视物提供较好的视觉清晰度.新型人工晶体应用于物距为75.3cm的工作距离,为小附加光焦度人工晶体应用领域提供理论及实验基础.     

刻划光栅刻线弯曲误差在线修正技术研究

刻划光栅存在刻线弯曲误差，将直接影响光栅的衍射波前质量。通过构建光栅刻线弯曲误差与衍射波前的映射关系，搭建了光栅刻线弯曲误差的实时测量光路，论述了光栅刻划机主动控制技术原理，将光栅刻划机主动控制技术用于光栅刻线弯曲误差的在线补偿。通过对比光栅刻划实验验证该方法的可行性。上述方法能够准确提取并有效补偿光栅刻线弯曲误差，将光栅衍射波前由0.074 λ提高到0.038 λ，提高了48.6%，同时有效地解决了光栅表面弯曲问题。其研究结果可用于提高机械刻划光栅质量，具有重要的理论及应用价值。     

紫外光固化有机-无机纳米复合材料成型衍射光学元件制造技术

针对衍射光学元件制造中材料选择的局限以及遮挡效应,采用了紫外光固化有机-无机纳米复合材料快速成型技术制造衍射光学元件,获得高折射率、高色散的衍射光学元件。通过有机-无机纳米复合材料制备实验获得了一种适合制造衍射光学元件的复合材料配方,配方各成分包括质量分数为57.97%的2官脂肪族聚氨酯丙烯酸酯(2PUA)、质量分数为38.64%的季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)、质量分数为1.45%的光引发剂184(Irgacure 184)、质量分数为1.93%的分散剂163(disperbyk 163)和质量分数可控的纳米粒子ITO。使用该方法制备了紫外光固化衍射光学元件,并使用台阶仪测量得到衍射光学元件模芯表面的平均微结构高度为13.26μm,光固化衍射光学元件表面的平均微结构高度为12.58μm,使用光固化衍射光学元件与模芯微结构的相对误差为5.141%。紫外光固化有机-无机纳米复合材料的衍射光学元件制造技术突破了材料选择局限,减小了遮挡误差,对宽波段的折衍射混合光学系统的快速成型具有重要意义。     

基于Q-type非球面的电子内窥镜物镜光学系统设计EI北大核心CSCD

采用具有"负-正"形式的反远距结构作为初始结构,利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段的电子内窥镜物镜(EEO)光学系统,其全视场为110°,焦距为1 mm,F数为3.3,最大通光孔径为3 mm,系统总长为7.89mm。该光学系统由6片透镜组成,包括两组双胶合透镜和一片两面均为Q-type非球面的镜片。设计结果表明,在奈奎斯特空间频率143lp/mm处的调制传递函数(MTF)高于0.4,接近衍射极限。为验证Q-type非球面在EEO系统设计中的优越性,在相同计算平台与结构参数下设计了一款包含幂级数(PS)非球面的EEO系统,对两者进行了分析比较。结果表明,Q-type非球面具有更强的系统像差校正能力,且有利于提高系统的优化设计效率;设计得到的Q-type非球面与其最接近球面之间的偏离量非常小,有利于提高非球面光学元件的加工效率与检测精度,降低成本;同时Q-type非球面EEO系统的装配敏感性更低,有利于提高系统的装配效率。     

光学拼接焦平面空间相机的相对辐射定标EI北大核心CSCD

为了提高光学拼接焦平面空间相机的成像性能和图像质量,开展了空间相机研制全过程的辐射定标技术研究,包括辐射响应性能分析、图像传感器的辐射定标及筛选、焦平面辐射定标、系统级辐射定标以及辐射定标数据应用等,并对具有反射镜光学拼接焦平面的空间相机进行了辐射定标实验。结果表明,利用相对辐射校正系数对图像校正,可以有效消除渐晕,图像的非均匀性由14.1%降至0.4%,图像质量明显提升;图像传感器的筛选以及焦平面组件的辐射定标,减少了图像传感器之间的辐射响应差异,相对定标不确定度小于1.0%。     

CaF2衍射光学元件的金刚石车削工艺优化

为了提高单点金刚石车削CaF2衍射光学元件(DOE)的表面质量和衍射效率,首先基于Beckman标量散射理论和有效面积法,建立了表面粗糙度误差和表面轮廓误差对衍射效率影响的数学模型.然后,结合CaF2的车削特性和DOE的结构特点,优化了CaF2 DOE的车削模型.同时,给出了不同工艺条件下半圆金刚石刀具的最佳车削位置和最优刀具半径,实现了对CaF2 DOE表面粗糙度的控制.最后,在该优化模型的指导下,获得了表面粗糙度为3.4 nm、阴影区域宽度为28.7μm的高表面质量的CaF2 DOE,验证了所提优化车削模型的可靠性.所提车削模型对提高包含CaF2 DOE折-衍混合光学系统的成像质量具有重要意义.     

衍射光学元件衍射效率的测量

根据衍射光学元件衍射效率的测量原理,建立衍射光学元件衍射效率测量的双光路装置,简要介绍了双光路测量的优点。针对衍射光学元件衍射效率的测量装置,讨论了影响衍射效率测量精度的因素,合理地选择测量装置中的针孔光阑,即可以让主衍射级次的光全部通过被探测器接收,又可以滤掉次级衍射光,保证测量结果的准确度。针对所设计研制的一个折衍射混合成像光学系统,测量了可见光波段3个激光波长的衍射效率,并对测量结果进行了模拟和分析。在473～632.8nm波段范围内任意一个波长处,衍射效率的测量结果同理论值的偏差均小于5.0%。实验证明,双光路测量装置可以用于测量衍射光学元件的衍射效率。     

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％.