可见光折/衍射混合光学系统消热差设计

由于一些可见光折衍射混合光学系统结构复杂,光学材料种类繁多且光热性能差异大,不能像红外系统那样通过解消色差、消热差方程组得到初始结构。通过分析衍射光学元件的温度特性,采取使用衍射光学元件先消色差再消热差的方法,完成了可见光波段遥感物镜的消热差设计。系统在20℃～100℃范围内成像质量均保持良好,调制传递函数下降范围在6％之内。设计结果表明利用衍射光学元件的混合光学设计使系统结构简单化,并在要求的温度范围内性能稳定。     

多级衍射元件消色差系统的面型分析

多级衍射元件在衍射望远系统消色差领域的应用逐渐成为热点。基于赛德尔三级像差理论，对由多级衍射光学元件、折射光学元件和菲涅耳衍射元件三元件组合的光学系统展开分析。在400～700 nm工作波段，通过数学推导校正表面系统的球差，同时实现消色差及复消色差。对系统在平面、球面和非球面不同面型下的成像质量进行比对。当系统为非球面设计时，调制传递函数在截止频率50 lp/mm处高于0.6683，优于平面和球面设计，衍射圈入能量更高，成像质量更好。该研究为将多级衍射元件组合系统运用到消色差领域提供了参考。     

基于三片曲面反射镜的离轴投影成像系统

采用调制传递函数和波前像差分析方法,设计了基于偶次非球面反射镜和Zernike自由曲面反射镜构成的放大倍数为80,相对孔径为2.8的三个离轴投影成像系统.其中第一片反射镜M1表面为凹面用于减小第二片反射镜的尺寸及获得高的对比度,而第二片反射镜M2和第三片反射镜M3表面为凸面用于校正系统像差及获得更短的投影距离.经软件设计与分析,三系统中基于三片Zernike自由曲面反射镜的成像系统光学性能最好,调制传递函数实现60lp/mm时60%以上,畸变小于2.0%.与其它文献相比,基于三片Zernike自由曲面反射镜系统可以更好地消除像差,缩短系统厚度,增大系统的可视角与相对孔径.     

共轴PGP型光谱仪的玻璃选择与优化

针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪装调难度大的问题,通过校正PGP成像光谱仪色差的方法保证探测器像面与光轴垂直,并设计了一款宽波段复消色差的PGP系统。从宽波段复消色差理论出发,计算了三种玻璃材料组合理论色差的最小值,为光学设计的复消色差提供了理论支持。利用光学设计软件优化得到的初始结构,结果表明,PGP系统的二级光谱得到了很好的校正,且探测器的CCD无需倾斜,更方便后期装调。覆盖谱宽为400~1000 nm,视场为9.2 mm,空间分辨率优于10μm,光谱分辨率优于2.8 nm,光学传递函数大于0.7,接近衍射极限,满足成像要求。     

谐衍射双波段红外超光谱探测系统研究

根据谐衍射元件的特殊色散原理及红外波段的窗口特性，将谐衍射透镜应用于红外超光谱探测器中.阐述了利用衍射光学元件色散特性的新型红外双波段超光谱探测成像的基本原理，给出了具体的系统设计实例.设计结果表明，此系统提高了图像的分辨率,增大了接收光能量的能力.在两个波段内同时较好地完成了系统的像差校正，波前差都小于1/4波长.在20线对/mm时, 光学传递函数在这两个波段内的各个变焦位置均达到衍射极限. 关键词： 谐衍射元件 超光谱探测 光学设计     

新型衍射光学成像光谱仪的设计和分析

为了克服在传统衍射光学成像光谱仪中,衍射透镜的焦距随波长变化引起系统放大率随波长变化,从而导致光谱图像的像元配准误差,得到并不精确的相对光谱信号强度,提出了将衍射透镜与消色差透镜系统相结合的新型折/衍混合、二组元复合远心成像光学系统的技术方案,具体分析推导了该系统的成像理论.在此理论指导下,利用光学设计软件Zemax设计了一套可见近红外成像光谱仪光学系统.结果表明,不但系统的放大率不随波长变化,而且进一步降低了衍射透镜的加工难度,改进了衍射光学成像光谱仪的光学性能,为新型衍射光学成像光谱仪的研制提供了重要的理论依据和设计指导.     

超光谱成像光学设计

针对超光谱成像涉及光学、光谱学、机械、微电子、计算机等众多研究领域,成像光谱仪需要小型化设计的要求,设计一个超光谱复消色差的成像系统。从像差理论出发,依据典型的光学玻璃在400 nm~1 000 nm波段的色散特性,导出了消二级光谱的理论公式。针对系统指标全视场7.63,F/#为5,焦距为60 mm,利用ZEMAX软件,对其二级光谱进行了校正设计。结果表明,在可见光和近红外波段,成像系统在60 lp/mm处的MTF均大于0.5,其他像差也达到了要求。     

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.     

实现复消色差的超常温混合红外光学系统

讨论了利用二元光学元件实现红外光学系统消热差的原理和方法,分析了二元光学元件的色散特性及其在校正二级光谱中的优越性,给出了实现复消色差和超常温消热差的混合红外光学系统设计实例.该系统焦距100mm,相对孔径1/2,视场角6°,工作波段8—11μm;采用了两种最常用的硅和锗材料,共三片,结构简单.在-80—200℃的超宽温度范围内,成像质量稳定并达到衍射极限,约在系统0.7孔径处轴向像差曲线基本相交于一点,实现了系统的复消色差. 关键词： 红外光学系统设计 消热差 复消色差 折射/衍射混合光学系统     

基于三片曲面反射镜的离轴投影成像系统

采用调制传递函数和波前像差分析方法,设计了基于偶次非球面反射镜和Zernike自由曲面反射镜构成的放大倍数为80,相对孔径为2.8的三个离轴投影成像系统.其中第一片反射镜M₁表面为凹面用于减小第二片反射镜的尺寸及获得高的对比度,而第二片反射镜M₂和第三片反射镜M₃表面为凸面用于校正系统像差及获得更短的投影距离.经软件设计与分析,三系统中基于三片Zernike自由曲面反射镜的成像系统光学性能最好,调制传递函数实现60 lp/mm 时60%以上,畸变小于2.0%.与其它文献相比,基于三片Zernike自由曲面反射镜系统可以更好地消除像差,缩短系统厚度,增大系统的可视角与相对孔径.     

中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪的设计与分析

提出一种基于微光学元件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪,通过引入红外微结构衍射光学元件、多级微反射镜和微透镜阵列,实现仪器的微型化.介绍了微型傅里叶变换红外光谱仪的结构及基本原理,分析了微型准直系统和聚焦耦合光学系统的设计理论,研究了单片折衍混合准直透镜的残存像差、衍射面的衍射效率、多级微反射镜的衍射、微透镜阵列的孔径衍射和中继系统的轴向装配误差对光谱复原的影响.最后,对中波红外微型傅里叶变换光谱仪进行了建模仿真,得到的复原光谱与理想的光谱曲线比较符合,实际的光谱复原误差为2.89%.该中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪无可动部件,且采用了微光学元件取代了传统的红外镜头,不仅稳定性良好,而且体积小、重量轻,有利于在线监测应用.     

超高倍变焦光学系统设计

设计了一套焦距f′=8 mm~2 400 mm的超高倍变焦光学系统,对可见光波段成像。采用多组元全动型变焦结构,在实现高变倍比的前提下不增加系统尺寸;在普通衍射透镜的基础上,分析了谐衍射元件的成像特性及色散,减小长焦距所引入的色差和二级光谱;给出了新型非球面方程及特性,解决了普通非球面方程项数选取复杂的问题。在上述理论基础上,利用Zemax光学设计软件对系统进行仿真,引入4个谐衍射面和4个新型非球面。设计结果表明,在奈奎斯特频率50lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.5以上,成像质量较好,可广泛应用于军事、航天等领域。     

A hybrid doubled achromat based on a photon sieve

Photon sieves are diffractive optical elements with large chromatic aberration. To correct the dispersion of a photon sieve, a novel hybrid doubled achromat combined a photon sieve and a refractive lens is proposed. The design of this achromat applies the opposite dispersive characteristics of diffractive and refractive elements. Two design examples for different bandwidths of 300 nm and 80 nm in visible spectrum are given. For analyzing their focusing properties, the intensity distributions both along the axis and at the focal plane are studied. The results illustrate that the achromatic design is achieved and the secondary spectrum can be corrected for a narrow bandwidth. And compared to traditional hybrid achromat, it can focus to a sharper spot.     

Design of a diffractive optical element for wide spectral bandwidth

A new method for eliminating the chromatic aberration of a diffractive optical element (DOE) for wideband wavelengths is presented. The wideband-wavelength diffractive optical element (WBDOE) consists of two aligned DOE's. The use of different dispersive materials for the two DOE's eliminates chromatic aberration. The design and simulation of a WBDOE for the visible spectrum are presented.     

Optimization of 350× optical zoom lens with diffractive optical element

Through researching and validating, a set of optical designs using a diffractive optical element (DOE) and optimization process has been derived in this paper. We put forward a set of theories to solve the numerous quality issues in imaging and applied it to an optical design. For an optical design to be successful, it must comply with the standards of the optical system. Optical designers must also take into consideration imaging quality, wherein the most influential aspects are chromatic aberration and monochromatic aberration. We complied with systemic standards such as effective focal length and total system length. Diffractive Optical Element, based on the theory of wave phase difference, takes advantage of negative Abbe number, which might significantly eliminate chromatic aberrations of optics. Following the advanced technology applied to micro lens and etching process, precisely made micro DOE element now is possible to be manufactured in a large number. A 350× zoom lens with DOE is demonstrated in the proposal. The results show that regardless of whether chromatic aberration is axial or longitudinal, issues concerning the optical lens's chromatic aberration could be significantly reduced.     

10m大口径薄膜衍射主镜的色差校正技术研究

分析了薄膜衍射主镜的成像性能及色散特性,利用含有衍射面的反射式消色差光路校正了衍射主镜的强色散,使成像系统的工作波段达到40nm、视场达到0.02°,设计了10m口径、115.73m总长的短结构合成孔径薄膜衍射成像系统.结果表明,消色差光路将两边缘波长0.58μm与0.62μm之间的焦距差由5.34m减小到17.27μm.该研究提供了一种薄膜衍射主镜成像系统的设计方案,可为超大口径薄膜衍射成像系统的工程化研究提供参考.     

基于非球面基底的红外谐衍射元件设计

根据谐衍射透镜的特点以及非球面校正像差的独特性能,将谐衍射面制作在非球面基底上制成单透镜,该单透镜应用于红外系统中,能够在两个波段1．8～2．4μm和3．4～4．8μm内同时较好地校正系统的色差,有效地校正此单片镜系统的像差,在设计波段内大幅度提高了衍射效率,成像质量接近衍射极限。     

基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统

全景鱼眼光学系统的成像圆通常为完整的圆形,小于感光芯片的垂直方向尺寸,相比长方形芯片,圆形成像圆面积较小,芯片有效像素利用率低。结合全景鱼眼光学系统成像圆小于芯片的特点,介绍一种基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统,可实现椭圆形成像区域,大大提高芯片有效像素的利用率。采用光学设计软件,构建自由曲面模型,运用玻璃镜片加塑料镜片混合构成的方法,通过消像差和控制不同温度场下焦点漂移设计非对称全景鱼眼光学系统的成像区域为椭圆,实现了镜头成像像高X方向接近芯片的水平尺寸,Y方向接近芯片的垂直尺寸。在不考虑制造公差的理想情况下,对于4:3芯片,根据圆和椭圆面积公式可得圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为58.9%,椭圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为78.5%。仿真和计算结果表明,采用椭圆形成像光学设计比圆形成像光学设计的芯片有效像素利用率提升15%左右。