面向光束整形的自由曲面衍射光学设计方法(特邀)EI北大核心CSCD

光束整形技术能够实现激光光束能量分布的良好控制,在激光加工、医疗、激光核聚变等方面具有广泛的应用前景。光束整形方法主要分为几何光学方法和物理光学方法两大类,其中几何光学方法由于忽略了衍射效应,导致一些情形下的光束整形效果不够精细,但却能为物理光学方法提供良好的优化起点。结合几何光学方法和物理光学方法的复合设计方法能够设计出易于加工的自由曲面衍射光学元件,同时能抑制杂散光和散斑噪声。首先回顾了物理光学方法,然后综述了几何光学-物理光学复合设计方法的研究进展,最后对衍射光学元件设计方法的未来发展方向进行了一定的展望。     

基于方域正交多项式自由曲面的成像系统设计方法(特邀)

自由曲面为光学系统设计带来了新的设计自由度,可以实现性能与参数更高、结构更紧凑的系统,但自由曲面的加工与检测难度较大,应在设计过程中对工艺性进行实时表征与控制。使用正交多项式面型可以较为容易地实现自由曲面同基底曲面矢高差的控制,但目前常用的大多是在圆域内正交的多项式,对于自由曲面离轴非对称系统中曲面常用的矩形孔径或者方形孔径局限性较大。针对以上问题,提出了采用方域内具有正交特性的二维Chebyshev多项式以及二维Legendre多项式进行自由曲面成像系统设计的方法。提出采用正交多项式孔径边缘积分的约束方法,以及采用控制方域正交多项式系数平方和的方法,配合正交多项式系数的其他线性约束,在不明显降低系统成像质量的情况下,实现高效的自由曲面系统设计以及曲面检测难度的实时表征与控制。通过多个不同结构的自由曲面成像系统设计实例,说明了所提出的设计方法的可行性与效果。所提出的方法为常用的有矩形曲面孔径的自由曲面系统设计提供了新思路,可以有效提升整个自由曲面系统研制过程的效率。     

应用自由曲面的紧凑型长焦手机镜头设计(特邀)EI北大核心CSCD

针对长焦镜头小型化、轻量化的设计需求,基于离轴三反结构探索紧凑型长焦光学系统设计方案。利用圆锥曲面焦点共轭的光学特性,通过相邻反射面焦点重合的方式构造可对轴上点完善成像的初始结构,并在此基础上,通过追迹特征光线建立针对离轴三反结构的光线无遮拦判定条件,从小视场出发制定视场扩展与自由曲面面形的优化设计策略。以长焦手机镜头为例,设计了一款F数为5、等效焦距达196 mm、视场范围±3.8°的离轴三反式紧凑型长焦镜头。其尺寸为26 mm×24 mm×10 mm,仅由3个反射面构成,MTF优于0.2@114 lp/mm,畸变低于0.5%,相对照度高于95%,像面无暗角。该系统无遮拦,无色差,且相较于常规潜望式长焦镜头,在小型化、轻量化方面具备明显优势,为紧凑型长焦镜头设计提供了新的解决思路。     

大型自由曲面离轴三反光学系统降敏设计(特邀)EI北大核心CSCD

离轴三反光学系统基于无孔径遮拦、可实现大视场等优势,结合自由度高、像差校正能力强的光学自由曲面,可以实现优异的光学性能。光学系统成像指标的不断提高促使反射式光学系统的口径和焦距不断增大,光学系统误差敏感度剧增,加工难度和装调敏感度也随之提高,耗费的时间和经济成本巨大。误差敏感度可以表征光学系统在失调后的敏感程度,误差敏感度低的光学系统公差精度要求宽松,在优化过程中控制误差敏感度可以实现像质与成本之间的最佳平衡。因此,降敏优化是光学系统设计过程中不可或缺的一环。文中提出的角度优化降敏设计方法和局部曲率控制降敏设计方法对一个焦距30000 mm、F数为15、视场角1°×1°的大型自由曲面离轴三反光学系统进行了降敏设计并进行对比,结果表明,在光学系统构型无显著差异的情况下,使用两种降敏设计方法降敏后的光学系统像差校正理论结果均表现优异,调制传递函数(MTF)均接近衍射极限,两种降敏设计方法均可以有效降低光学系统误差敏感度。对比发现,局部曲率控制降敏设计方法降敏效果更好。     

非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控(特邀)EI北大核心CSCD

自由曲面光束强度与波前调控旨在借助多个自由曲面实现对光束强度与波前两个属性的精准调控,然而这一调控工作通常要求观测平面垂直于光轴,导致系统光路布局受限。针对这一问题,文中提出了一种可实现灵活光路布局的自由曲面光束强度与波前调控方法。首先设定一个垂直于光轴的虚拟观测平面,并建立目标离轴观测平面上的特定照明分布和该垂轴虚拟观测平面上相应照明分布之间的映射关系。结合斯涅耳定律、局部能量守恒定律和光程守恒约束,建立针对垂轴虚拟平面的带有非线性边界条件的光束调控Monge-Ampère(MA)方程,之后采用有限差分法求解该垂轴布局光束调控模型,进而得到非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控的数值解。采用该方法设计了一个用于调控点光源光束强度与波前的自由曲面透镜,借助蒙特卡洛光线追迹,验证了该方法在非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控中的有效性。     

制冷型大面阵自由曲面离轴三反光学系统设计(特邀)EI北大核心CSCD

针对超大面阵红外遥感探测的需求,设计了一个基于自由曲面的超大矩形视场制冷型离三反光学系统。系统采用一个偶次非球面反射镜和两个自由曲面反射镜组成二次成像的结构,具有实出瞳并与冷光阑匹配,能够实现100%的冷光阑效率。与其他离轴三反系统相比,该系统最大特点在于其适配了4 k分辨率的大面阵红外探测器,具有视场大、无遮拦、成像质量好等技术特点。系统焦距为150 mm,工作波段为1.5~5μm,工作F数为5,视场为30°×25°。结构上,主镜采用偶次非球面,次镜和三镜采用XY多项式自由曲面,以校正大视场下的各种像差,系统在各个视场下调制传递函数在25 lp/mm处均大于0.4,满足大面阵红外探测器的成像质量要求。     

激光光源汽车前照灯自由曲面反射器设计EI北大核心CSCD

文中针对激光前照灯的光学结构设计困难和能量利用率低的问题,以球面最优传输理论为基础,提出了一种新的自由曲面反射器设计方法。该方法基于支撑曲面的结构,针对扩展光源进行了优化,有效抑制了目标照明区外的照度,实现了清晰的明暗截止线。文中根据GB 25991—2010标准,设计了适用于激光前照灯(含近光灯和远光灯)的自由曲面反射器,并使用扩展朗伯光源进行模拟仿真。仿真结果表明,配光屏幕上各测试点和测试区域的照度均符合法规要求,反射面连续光滑,能量利用率分别为96.96%和97.80%。通过实现高能量利用率的结构,减少了汽车前照灯的功耗,利于汽车前照灯的散热设计,延长了激光光源使用寿命,并为设备的生产加工带来便利。     

离轴双反射自由曲面激光整形系统的设计

设计了一种离轴双反射自由曲面激光整形系统,不仅可以使输出光束辐照度分布变均匀,而且可以控制输出波前和扩束率。通过设置两个约束条件和初始条件,获得自由曲面上相邻采样点之间的迭代关系,从而计算整个自由曲面上所有采样点。利用软件对系统进行验证,将16mm×16mm的方形高斯束分别整形为80mm×80mm的方形均匀光斑和120mm×20mm的矩形均匀光斑,出射光束均为准直光束。结果表明:方形光斑均匀度为90.74%,光束扩束率为5;矩形光斑均匀度为94.75%,水平方向扩束率为7.5,竖直方向扩束率为1.25。     

自由曲面离轴四反全铝光机红外探测系统(特邀)EI北大核心CSCD

为满足红外探测系统对大视场、轻量化、低成本的需求,设计并研制了一款用于制冷型红外探测器的自由曲面离轴四反全铝光机系统。光学设计采用具有实出瞳的离轴无遮拦全反射式光路形式,并利用7次XY多项式表征各反射镜面型。在紧凑包络约束下,实现了6.25°×5°的视场角,全视场RMS几何弥散斑半径<6.0μm。各反射镜和支撑结构材料均选用6061-T651铝合金,各反射镜进行了柔性支撑设计,以降低装调时的刚性连接应力。采用激光干涉仪对光机系统波像差进行了测试,典型视场波像差相似文献   

采用双自由曲面整形的无掩模光刻照明系统

为了实现无掩模光刻系统所需求的矩形准直平顶激光光束照明,提高照明系统的能量利用率,提出了一种利用双自由曲面整形的照明系统设计方法。根据光程守恒原理和折射定律,推导了积分形式的双自由曲面面形方程;采用数值解法求解积分方程,分别设计了含有双自由曲面的双透镜整形单元和单透镜整形单元的照明系统,使用光学设计软件对两种照明系统进行模拟,得到两种照明系统的照明均匀性在93%以上,能量利用率大于91%。结果表明,两种照明系统均能实现无掩模光刻系统的高均匀性、高能量利用率照明。     

光电成像系统激光防护技术研究进展(特邀)EI北大核心CSCD

随着激光技术的迅速发展,激光武器装备日益增多,广泛应用各个领域的光电成像系统被激光致盲或致眩的概率骤增,信息获取能力急剧下降,因此,光电成像系统激光防护技术研究变得越来越重要。简要介绍了基于线性材料和非线性材料的光电成像系统激光致盲防护技术的机理及局限,重点阐述了以二氧化钒为代表的基于相变材料的激光致盲防护技术的机理、制备方法和应用进展,详细分析了基于计算成像的激光致盲防护技术的机理和初步应用探索,结合激光致盲与致眩的关系补充说明了研究光电成像系统激光致眩防护技术的必要性和可行性,最后总结了光电成像系统各种激光防护技术的优缺点以及未来发展方向。     

自由曲面透镜白光LED光束整形技术

为了获得高均匀性、对称性及一些特殊形状强度分布的白光发光二极管(LED)光束以满足某些特定的需求,基于白光LED光源为朗伯光源的特性,运用自由曲面透镜的方法对LED光束进行了光束整形,分别采用单一自由曲面透镜以及全内反射(TIR)透镜与微透镜阵列组合两种不同的整形结构,进行了加工工艺和原理理论分析,并通过了实验验证.结...     

基于ZEMAX的激光高斯光束匀化设计

文章基于ZEMAX光学软件设计一套激光光束匀化光学系统,用于将激光高斯光束转化为平顶光束。从理论分析人手,在ZEMAX软件环境下,编写Macro命令,通过系统优化,完成出射激光束光强分布均匀化,满足系统设计要求。     

激光成像处理技术研究现状及展望(特邀)EI北大核心CSCD

激光成像在多个领域中应用广泛,其成像时包含一系列的信号和信息处理过程,会对成像质量造成关键性的影响,并在成像信息运用的过程中起着关键性作用。文中主要针对典型激光成像处理技术进行综述性研究。首先,讨论了典型成像体制的激光成像处理技术特征,按照信号处理和信息处理两个阶段归纳了主要的共性处理方法和内容。其次,分析了激光信号去噪、辐射与几何校正和激光点云处理技术,激光测距、图像重建、目标检测的信息处理技术的发展现状,研究了典型处理技术特别是基于深度学习的激光成像智能处理技术的实现过程。最后,分析了激光成像处理技术的发展需求和未来发展方向,希望能对激光成像的相关研究带来一定的参考作用。     

基于数字微镜阵列的平顶光束空间整形

为了满足激光光斑质量高、扫描快速的目的,采用数字微镜阵列和误差扩散法对单平顶和多平顶的光束整形原理仿真,利用680nm激光建立了实验系统,并进行了光束整形验证。采用光束填充因子、光场调制度、均方根误差3种评价参量对整形结果进行评价,并对采用数字微镜阵列进行光束整形的能量利用率进行了测量和分析。结果表明,单平顶和多平顶整形的光束填充因子由整形前的36.1%分别提高到62.3%和56.7%;光场调制度由73.3%分别降到25.6%和30.3%。利用该光束空间整形方法,可得到高质量的多平顶光束,在快速激光扫描领域有一定的应用价值。     

用激光直写制作光束整形元件的实验研究

利用迭代傅里叶算法优化得到了特定衍射图样的位相结构,分析讨论了采用单光束激光直写系统进行逐点光刻制作2个台阶二元光学元件位相掩模的基本原理,并给出了实验结果和实验误差分析,从而为发展一种制作周期短、成本低,且无对准误差的二元光学元件的制作方法提供了一种可能。     

基于透镜阵列的眼科准分子激光光束整形与匀光系统

为提高屈光手术中准分子激光的能量利用率和光斑均匀性,设计了一套由双排透镜阵列和会聚透镜组成的准分子激光光束整形与匀光系统。借助近轴光学计算发现,通过调节双排透镜阵列的间距可以改变聚焦光斑的尺寸,通过调节透镜阵列与会聚透镜之间的距离可以改变光学系统的整体长度而不影响聚焦光斑的形态。利用光线追迹方法对该系统进行了模拟分析,在会聚透镜像方焦平面上获得了呈均匀分布的方形聚焦光斑,并给出了聚焦光斑尺寸随双排阵列透镜间距的变化过程。分析了接收面离焦对光斑尺寸和能量分布产生的影响,指出所设计的光束整形与匀光系统可以满足准分子激光屈光手术对激光光斑质量的要求。     

自由曲面激光强化的轨迹优化研究

根据激光强化的工艺特性,从优化的角度出发,提出了一种基于平行截面法的改进算法.首先通过分析光斑的平均离焦量与光斑覆盖域曲率的关系,得到用自由曲面最大主曲率表示的工艺所允许的最大光斑尺寸公式;进而通过轨迹样本点分析的方式,得到统计平均的相邻平行截面间距.该方法综合考虑光斑大小、光斑间距、轨迹排距等多种因素,相较于一般的轨迹规划算法,能在保证加工效果的基础上有效提高加工效率.最后给出了一个算例,这一方法被用于汽车门板局部的激光强化加工轨迹规划,取得了良好的效果.     

基于Pade逼近的非迭代双向光束传输法

平方根算子有理逼近是双向光束传输法的必要步骤,其逼近精度决定了双向光束传输法计算结果的精度和有效性。采用Pade逼近有理化平方根算子,分别计算四种不同Pade逼近方式下的反射光场和透射光场,比较了基于不同Pade逼近方式的非迭代双向光束传输法计算结果的稳定性和有效性。     

矢量像差理论在成像系统像差补偿中的应用(特邀)EI北大核心CSCD

随着应用光学领域的蓬勃发展,对于成像光学系统的像质需求越来越高。自由曲面的多设计自由度使其具有优异的像差补偿能力,常被用于高效像差补偿器件,而设计出具有良好像差补偿效果的自由曲面是提升系统像质的关键。这里基于矢量像差理论,介绍了一种针对成像系统像差补偿的Zernike型自由曲面设计方法。并以望远偏心系统作为实例,利用所提出方法设计了该系统的像差补偿自由曲面,并借助空间光调制器开展实验研究。仿真与实验结果均表明,所提出方法能够得到有效补偿望远偏心系统像差的自由曲面,像差补偿后光斑尺寸降低至补偿前的43.9%,其像差补偿效果优于传统标量像差理论优化法设计结果,该方法在自由曲面成像系统设计方面具有一定的应用研究价值。