谐衍射/折射双波段系统设计

将谐衍射透镜成功地引入红外凝视阵列探测器双波段系统的设计中,使系统在3．7～4．3μm的中波红外和8．7～11．5μm的长波红外波段同时较好的完成了像差校正。光学传递函数在两个波段范围内,在18lp／mm时的归一化值均大于0．5,接近衍射极限。该系统具有100％冷光栏效率。设计结果表明,谐衍射透镜的光谱特性介于折射透镜与衍射透镜之间,色散大小可以控制,降低了对工艺水平的要求,使红外双波段系统结构紧凑,透镜组片数少、分辨率高。为红外光学设计提供了一种全新的器件。     

红外双波段双层谐衍射光学系统设计

将谐衍射透镜应用在传统红外单波段佩茨瓦尔(Petzval)物镜上,设计得到工作波段处于3.4~4.2μm和8~11μm的红外双波段单层谐衍射光学系统。但单层谐衍射元件的衍射效率只在设计波长处衍射效率最高,随着波长相对设计中心波长向两侧偏离,主衍射级次的衍射效率逐渐下降。为提高含单层谐衍射元件光学系统的衍射效率,基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化,给出了优化方法。设计出佩茨瓦尔型红外双波段双层谐衍射光学系统,其在3.4~4.2μm和8~11μm两个工作波段的衍射效率均达到90%以上,相比含有单层谐衍射面的光学系统衍射效率有了很大提升,提高了像面衬比度,完善了系统成像质量。     

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     

用于半导体激光打标机的谐衍射/折射f-theta镜

根据半导体激光器发射波长的范围和谐衍射透镜的特点,讨论了含有谐衍射光学元件的混合f-theta镜的设计.将谐衍射面型引入到半导体激光器及Nd:YAG激光器打标镜的设计中,使用普通的光学材料,使系统在0.8-1.5 μm波段内很好地校正了各种单色像差和色差,在各个分立波长上系统的光学传递函数接近或达到衍射极限.系统结构紧凑、片数少、兼容性好、具有良好的像差特性,适用于半导体激光器及Nd:YAG激光器打标系统.     

1.3～5μm宽波段红外成像光学系统设计

宽波段红外成像技术可以获取丰富的波段信息,在目标识别和频谱分析中具有独特的优势。设计了一种1.3~5μm宽波段短中波红外光学系统,该光学系统采用二次成像设计,包括7块透镜和2片反射镜,其中使用了2片硅非球面和1片硒化锌基底衍射面用以校正像差和色差。利用光学设计软件给出了系统的光学参数和二维外形结构图,并且对其像质和冷反射进行了系统分析。该系统可以实现在工作波段1.3~5μm宽波段中成像,其F数为2,满足100%冷光阑效率。该系统结构紧凑,像质较好,能够实现宽波段成像要求。     

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。     

8倍非制冷型红外折/衍射连续变焦系统设计

针对长波用320×240元非制冷焦平面阵列探测器,设计了8～12 μm波段折射/衍射混合红外连续变焦光学系统,其相对孔径大,F数为1.3,系统变焦倍率为8.变焦系统采用锗和硫化锌两种材料,通过引入二元面和非球面校正系统色差和轴外像差,在空间频率18 lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数(MTF)均在0.5以上,接近衍射极限;系统在接收半径为17.5 μm的探测器敏感元内,能量透过率大于78%,表明该变焦系统具有良好的成像质量.     

基于固定校正镜的折衍共形光学系统设计

设计了一个大扫描视场的折衍混合红外共形光学系统,共形成像系统工作波段为3.7～4.8 m,相对孔径为1/2,焦距为120 mm,扫描视场为40。由于共形光学系统具有大偏心、大倾斜光学特性,像差校正难度较大,设计中采用固定校正镜和折衍混合混合结构校正了共形光学元件的像差,引入了非球面和衍射面有效消除了各个扫描视场的像差。设计结果表明:光学系统光阑与探测器冷光阑重合,满足100%冷光阑效率。在40扫描视场范围内,共形光学系统的光学传递函数曲线接近衍射极限,成像良好。     

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。     

红外双色宽波段高衍射效率衍射光学系统设计

采用双层Kinoform型衍射光学元件,设计了一种能够同时在红外中波(MWIR)3~5μm和长波(LWIR)8~14μm波段内工作的双波段光学系统。系统仅使用两种材料(ZnS和ZnSe)和四片透镜,实现了焦距100mm、F数1.2的长焦距、大相对孔径光学系统设计。通过数值仿真运算,合理地选择双层衍射光学元件的两种基底材料及设计波长,衍射光学元件的带宽积分衍射效率超过96%。系统像差得到了很好的校正,成像质量良好,中波所有视场调制传递函数(MTF)(14.3lp/mm)大于0.7,长波大于0.65,且接近衍射极限,同时分析了衍射效率对系统MTF的影响。最后利用Matlab软件绘制了衍射表面微结构仿真图,两个衍射面的最大闪耀深度分别为179.3μm和159.4μm,最小特征尺寸为1.41mm,完全满足目前金刚石车削工艺的加工要求。     

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。     

泛卡塞格林光学系统的色差研究

泛卡塞格林光学系统结构简单、像质优良,广泛应用于空间光学领域中。从对研制完成的谱段位于500～800nm的泛卡塞格林光学镜头的调制传递函数(MTF)的测量结果出发,结合泛卡塞格林光学系统的结构特点,分析表明光学设计的色差来源于其高次施密特非球面镜,提出了一种利用非球面镜的最小色差条件来改进光学系统的新方法。通过三级像差理论,分析了施密特非球面镜的面形方程,计算出最小色差条件及相应的中性带高度,进行光学设计的优化改进,取得了良好的效果。结果表明,改进后光学系统的色差由原来的31.4μm减少为4.25μm,且光学系统的MTF值达到0.6以上(40lp/mm),像质优良。该方法为类似光学系统的设计提供了一定的参考价值。     

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.     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

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。     

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.     

静、动态目标模拟离轴三反光学系统设计

基于单色像差理论,确定同轴三反光学系统的初始结构参数,通过二次曲面系数为0的偶次非球面的高次项之间的平衡,校正离轴系统引起的非对称性像差,同时结合DMD(数字微镜器件)目标生成器,设计出一款采用离轴三反光学系统的平行光管,为坦克承载的被测光电设备提供室内模拟目标。本光学系统的设计指标是工作波段为0.2~1.2μm,有效焦距为3000mm,全视场为2°,F数为8。结果表明,系统各视场的波像差均优于λ/34(主波长λ=0.6328μm),传递函数MTF均优于0.71@36.5lp/mm,接近衍射极限,成像质量好。对系统进行公差分析之后,系统的传递函数值远优于0.6@36.5lp/mm,合理的公差分配使系统加工难度降低,装调检测更加方便容易。     

圆孔液晶透镜的ZEMAX设计与优化

液晶透镜是自由3D显示的新器件,其原理是利用基于向列相液晶指向矢随外加电场作用发生变化的光电特性。本文提出一种简易准确的透镜参数设计和优化方案。以单圆孔结构的液晶透镜为例,利用光学软件ZEMAX和焦距缩放法对圆孔结构的液晶透镜的参数加以设计并优化。分析液晶透镜的像差,评价成像质量。结果表明,优化后的液晶透镜的像差明显减小,3.5°视场下,弥散斑均方根半径RMS值由248.118μm减小到62.192μm,为原来的25.1%;光学调制传递函数MTF值明显改善。最后实验测试验证了液晶透镜阵列的衍射光斑亮度及清晰度均显著提高。     

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.