利于像差校正的共形整流罩内表面面形设计

共形光学系统中,椭球形等厚度整流罩使入射的平行光线经过整流罩后不再平行,变为发散的光线,进而使系统像差急剧增加,不利于后续像差的校正。通过对等厚度共形整流罩的内表面进行重新设计,打破了共形整流罩的等厚度条件,从而在使用较少校正光学透镜的基础上实现了系统像差的校正。通过分析不同级次非球面分别作为整流罩内表面面形时的像差校正效果,确定了将6次非球面作为共形整流罩内表面面形初始结构。通过对内表面进行优化设计,最终得到整流罩内表面面形。结果表明,该方法有效地减小了共形整流罩引入的像差。最后使用固定校正器对内表面变化后的整流罩进行了像差校正,设计结果表明,内表面的改变有效地减少了光学元件数量,消像差效果良好。     

Schmidt棱镜偏振像差对成像质量的影响EI北大核心CSCD

为了分析Schmidt棱镜偏振像差在自然光成像系统中对成像质量的影响,以线偏振光矢量衍射光强分布为基础,利用两种非相干叠加积分模型,获得了自然光通过Schmidt棱镜后完全相同的衍射光强分布关系。通过这个关系式分析得知,自然光经过屋脊棱镜的偏振像差表现为衍射光斑的对称分裂。对分裂导致的像面中心亮度比、分辨率以及所提出的像面变形度等像质评价参数进行了分析计算。结果表明,Schmidt棱镜的成像质量受到其偏振像差的影响严重。Jones矩阵因子B作为棱镜的结构特性参数,影响并决定棱镜的成像质量。B因子的大小就是Schmidt棱镜偏振像差的大小。理论分析及实验结果均表明,B=0为校正Schmidt棱镜偏振像差的一个条件。     

二元光学器件实现含转像棱镜望远物镜像差补偿研究(英文)

以像差理论为指导分析了混合望远物镜中二元光学透镜与转像棱镜之间的像差补偿问题.计算了二元光学器件的相位系数,确定了含补偿棱镜望远物镜的初始结构.用CODE V光学设计软件对望远物镜初始结构优化后的像差结果表明:系统色差在0.9相对孔径高度得到了校正,纵向球差在容限范围0.5 mm之内,最大横向误差为-0.115 mm.     

自适应光学系统内光路的像差校正研究

自适应光学系统内光路像差的校正对获得好的光束质量至关重要.实际中采用的校正方案是常规共轭式自适应光学.然而系统菲涅耳数较小时,激光在传输过程中的衍射效应严重影响着系统内光路像差的校正效果.基于随机并行梯度下降算法模拟了不同程度衍射效应(以菲涅耳数表征)下的校正效果,模拟结果表明,像差校正效果随着菲涅耳数的变小而变差.同...     

棱镜自重变形对波面影响的研究

采用有限元方法分析了单棱镜在重力作用下三个典型位置的表面变形,对棱镜表面Φ425mm通光孔径轴向变形量进行Zernike多项式拟合,画出了相应的波差图,并确定设计方案.进一步选择Φ360 mm口径光束对双棱镜在几种典型相对位置下进行光线采样、追迹,计算得到不同情况下由于双棱镜自重变形引起的总波差.     

旋转双棱镜引起的成像畸变及其校正

针对旋转双棱镜扫描成像中棱镜引起的成像畸变进行研究并通过逆向光线追迹对其实施校正。为估算畸变的特点和程度,根据视轴指向及视场尺寸确定棱镜转角和入射光方向,基于矢量形式的折射定律对视场跨度内的光线通过两棱镜实行追迹。以锗棱镜的红外成像及玻璃棱镜的可见光成像为例模拟成像变形。结果表明,图像沿着偏离系统轴的方向被压缩。偏转角越大,图像变形越突出。为校正成像畸变,从像点通过棱镜实行逆向光线追迹。针对可见光成像搭建旋转双棱镜扫描成像系统并分析其成像畸变,结果表明成像畸变的模拟预测与实验观测结果相符。无论针对模拟图像还是实际图像,逆向光线追迹都能有效地校正成像畸变,改善成像质量。该畸变分析及其校正方法对旋转双棱镜成像应用具有一定的参考价值。     

带有无光焦度校正板两镜系统的三级像差校正

为增强光学系统校正像差的能力或者避免使用非球面,可在两镜系统中引入无光焦度校正板.该类系统中含有7个变数,有利于系统的像差校正,并且无色差.依据三级像差理论、规一化法及近轴公式,对该类系统进行了像差校正的理论分析,得出了各种平衡三级像差的校正条件.并通过一个实例,借助光学设计软件对此进行了验证.带有无光焦度校正板两镜系...     

基于Zernike模型系数优化的椭球型窗口光学系统像差校正

传统的半球形窗口难以满足高速飞行器气动力学的需求,采用流线型外表面的非球面光学窗口技术应运而生.这种窗口会随着扫描视场角的变化产生大量动态像差,校正这类像差成为高速飞行器光电成像系统发展的关键问题.对于扫描视场为±60°的椭球形窗口光学系统,研究了静态校正和无波前探测器的自适应光学技术相结合的大扫描视场像差校正方法.设计时,首先以减少系统像差种类为导向,进行初始结构设计,消除五阶Zernike像差,从而减少后续自适应优化控制变量数.利用Zernike多项式系数与变形镜驱动器电压之间的转换矩阵,将优化变量由140个驱动器电压减少至Zernike多项式2—9项系数.最后利用基于Zernike模型的遗传算法对变形镜面形进行控制,校正残余像差.仿真结果表明,各典型扫描视场点的优化速度提升95%以上,且光学像质接近衍射极限.该优化方法不仅可以修正异形光学窗口引起的像差,同时还能够校正光学系统装调、加工时引起的误差,具有较强的实用性.     

大视场曲面复眼光学系统设计

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题.该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成,各子复眼光学系统相互独立,其光线相互交叉.在系统中引入自由曲面透镜,自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折,使同一子系统的微透镜成像于平的像面上.每个子系统包括一层微透镜阵列,一个自由曲面透镜,一光阑阵列和后续像差校正镜.相比较于传统的复眼系统,该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强,能很大程度地提高边缘视场的像质.该系统的理论视场可达180°,制造精密要求不高且适用性强.本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证,证明其可实现性.     

基于固定校正元件的凝视型共形光学系统设计

为提高凝视型共形光学系统的成像质量,提出了采用共形整流罩内表面设计与Zernike Fringe Sag面固定校正板设计相结合的固定校正方法。根据建立的入射光线与出射光线方向的偏离角与整流罩参数的关系,设计整流罩内表面参数,减小共形整流罩引入的部分像差。在此基础上,利用Zernike Fringe多项式各项与像差的对应关系,构建Zernike Fringe Sag面固定校正板。基于该设计方法设计了一个凝视型共形光学系统,其F数为1,焦距f为30 mm,观察视场为±35°。分析了校正前后系统的像差特性。设计结果表明,该方法有效地减小了共形光学系统存在的主要像差,整个观察视场范围内调制传递函数(MTF)曲线在17 lp/mm处均达到0.748以上,成像质量良好。     

主客观相结合眼波面像差分析系统

利用Hartmann-Shack波面传感器对眼出瞳位置的波面像差进行测量,根据所测像差控制可变形镜对像差进行实时补偿.眼像差以Zernike多项式表示,通过对可变形镜的精确控制,可在光路中生成特定模式和幅值的像差.因此,被测者根据视觉的主观感觉,调节视标像差,直至获得最满意的视觉效果.该系统采用移动三棱镜和柱镜的方法对离焦和散光进行预补偿,弥补了波面传感器测量范围和可变形镜矫正范围受限制的缺点.该系统把快速、客观的测量及补偿和主观调整相结合,更加符合人眼工作的特性,可用于在人眼像差与视觉分辩的基础和临床研究.     

曲率型自适应光学系统对低阶Zernike像差校正能力

数值模拟了37单元曲率型自适应光学系统的波前校正过程,分析了该系统对低阶Zernike像差的校正效果,结果表明:低阶Zernike像差均能够得到较好的校正。分别对曲率为零和不为零的Zernike像差校正效果进行了对比分析,结果发现:曲率为零的Zernike像差同样可以被曲率型自适应光学系统校正,而且效果好于曲率不为零的Zernike像差校正。     

Third-order design of aspheric spectacle lenses

The theory of third-order aberrations for a system of rotationally symmetric aspheric thin lenses and relations for calculation of the shape of rotationally symmetric aspheric spectacle lenses with zero astigmatism are described. A comparison of aspheric and spherical spectacle lens design is presented. Possible applications of aspheric lens surfaces are proposed including the design of a spectacle lens with two types of primary aberrations corrected, an anastigmatic spectacle lens with minimum weight and a spectacle lens with the desired aesthetic shape. Our work performs a complex analysis of the third-order design of spectacle lenses considering not only astigmatism but all types of primary aberrations and their combinations.     

Optical aberrations of the cornea and the crystalline lens

The wave-front aberrations of the anterior corneal surface, the posterior corneal surface and the complete eye have been measured by a corneal topographic system (Orbscan II) and a Hartmann-Shack wave-front sensor. We have calculated the aberrations for both the corneal surfaces with the discrete set of corneal elevation data, and with which to acquire the aberrations of the whole cornea. The aberrations of the crystalline lens are calculated by subtracting the aberrations of the cornea from that of the complete eye. The aberration combination between the anterior and the posterior corneal surface, between the cornea and the crystalline lens is complicated, either compensation or addition. For individual Zernike terms, astigmatism and quatrefoil in the anterior corneal surface are added by the posterior corneal surface, while some other terms show compensation between the two surfaces. And for complete eye, astigmatism and spherical aberrations in the cornea are partially compensated by the crystalline lens, and other terms show addition between the two parts. Individual eye shows different combinations of compensation and addition across different Zernike terms.     

用Zernike多项式实现光机分析的技术方法

由于光学软件不能直接利用有限元分析的结果，而Zernike多项式的各项与光学像差有对应关系，因此常用Zernike多项式作为光机接口。针对目前常用轴向位移作为拟合量描述拟合面形的不足，给出了几种常用的表面位移校正方法并说明了其优缺点。用具体实例比较各校正位移，并对其进行Zernike多项式拟合，从拟合系数的差异可以看出,曲率比较大的表面必须采用校正位移进行拟合。最后指出：在不知道初始表面方程的情况下，轴向和法向校正位移均采用从初始表面出发的方法，如果已知初始表面方程，则轴向校正位移采用从变形表面出发的方法，法向校正位移仍采用从初始表面点出发进行计算。     

Subjective evaluation of intraocular lenses by visual acuity measurement using adaptive optics

We present a new method for subjectively evaluating intraocular lenses (IOLs) without implantation surgery. To illustrate the method, three types of single-piece IOL (equispherical monofocal, rotational symmetric aspheric monofocal, and diffractive bifocal) were assembled into a model eye and evaluated using an ocular adaptive optics system by a single subject. To separate the spherical aberration of the crystalline lens, the subject's corneal topography and wavefront aberrations were measured and modeled. Three levels of Zernike spherical aberration were generated and superposed on the IOLs and the subject's eye. The corrected distance visual acuity was measured by psychophysical visual procedure.     

基于主观式测量人眼波前像差的眼模型研究

通过主观式光线追踪波前像差测量方法得到用Zernike系数描述的人眼波前像差;在Gullstrand-Le Grand眼模型的基础上,引入用医用角膜地形图仪测量并用高次非球面函数拟合的实际人眼角膜形状数据,又引入角膜、前房及玻璃体厚度等个体化的眼结构参数;在光学建模软件Zemax中用所测Zernike系数建立评价函数,并对用Zernike矢高面描绘的晶状体表面进行优化.由此建立了个体化眼模型,并由此模型中可以计算得到与实际测量的波前像差值完全相同的各项Zernike系数值,从而可用于描述实际人眼的光学特性.     

On aberrations in saw‐tooth refractive X‐ray lenses and on their removal

The X‐ray lens, which is composed of opposing canted saw‐tooth structures, originally assembled from cut‐out pieces from long‐playing records, is understood by recognizing that an incident plane X‐ray wave will traverse a varying number of triangular prisms in them. The refraction will deflect any beam towards the prism tips and the variation of the deflection angle, which grows linearly with the number of traversed prisms, can result in X‐ray focusing. The structure offers focusing flexibility by simply changing the taper angle. This report will discuss the aberrations arising in the saw‐tooth structure in its simplest form with identical prisms. It is found that the saw‐tooth structures in low‐Z materials with focal length below 1 m provide less flux density in the focal spot than stacks of one‐dimensionally focusing refractive lenses with identical transmission function. This is due to excessive aberrations in the regular structure, which are absent in stacks of concave lenses, and which limit the focusing to spot sizes of just submicrometre dimensions, as measured experimentally for some lenses. It will be shown that this limitation can be overcome by appropriately modifying the prism shape. Then the image size could be reduced by about an order of magnitude to the diffraction limit with competitive numbers even below 0.1 µm. Microfabrication techniques are identified as the appropriate means for producing the structures.