数字微镜器件在会聚成像光路中的像差分析

数字微镜器件(DMD)应用于会聚成像光路中时,其表面微镜绕各自旋转轴做偏转运动,且微镜相对平面反射镜呈非连续分布,这导致了经过DMD反射后的光束轴外视场主光线与轴上视场主光线存在光程差。利用几何光学和像差理论,在基于DMD的会聚成像光路中得到了DMD面上的像高、光线入射角度、DMD像素大小及偏转角与最终光程差之间的关系。分析了影响光学系统像质的因素及补偿方法,并通过仿真模拟和实验验证了理论的正确性。该研究结果对采用DMD器件的光学系统设计和装调均具有重要意义。     

鱼眼镜头的光路追迹

鱼眼镜头的视场角高达180或超过180°，运用通常的光路计算程序无法对鱼眼镜头进行光路追迹。本文介绍先借用尝试光线确定一个适当的起始点，然后用迭代法计算出主光线和边缘光线的位置，最后给出计算实例。     

灵活使用光学设计程序的探讨

讨论了如何使用常规光学设计程序追迹衍射光线和计算Fθ透镜的畸变像差,从而说明灵活使用光学设计程序的意义和作用。     

奇对称型相位板波前编码成像系统的点列图分析

基于几何光学理论利用光线追迹方法得到了适用于任意面型相位板的大视场平行光入射情况下的光线像差近似表达式,并在此基础之上分析了奇对称型相位板波前编码系统的点列图的大小、边界以及光线结构等特性,研究了大视场角平行光入射下的光线像差增强及点列图形变等现象,并且给出了相应的近似数学解析式来描述这些特性。通过对奇对称型相位板波前编码成像系统的点列图特性分析,有助于进一步的理解波前编码技术并且指导实际系统的设计。     

大视场四象限探测光学系统设计

为了实现大视场激光探测跟踪,分析了大视场激光探测光学系统的研制特点。首先,根据四象限探测对光学系统光斑均匀性的要求,结合系统的指标参数,选定合理的光学结构型式,提出像差校正的设计方案。然后,基于ZEMAX软件完成大视场四象限探测光学系统设计,并利用点列图、光线足迹图、包围圆能量定性评价系统光斑质量;通过TRACEPRO光学分析软件,得到探测器靶面的光线照度分布。最后,依据设计结果完成光学系统的加工装配及性能测试。测试结果表明：激光探测系统线性视场为±6°,测角精度优于0.15°,并根据实测数据针对线性视场进行曲线拟合,与理论曲线相符,验证了设计结果的正确性。     

应用场光线传递方程计算鱼眼镜头像场像差

应用场光线传递方程,从鱼眼镜头的孔径光阑处,逆向追迹场光线传递方程,确定任意视场角场光线的初始位置,即光阑球差.正向追迹场光线计算鱼眼镜头系统物、像空间视场角之间的关系曲线;用多项式拟合求出关系曲线的解析表达式.通过反演运算,根据畸变图像复原物的图像分布,达到消除鱼眼镜头成像系统畸变的目的.最后,计算了一个160°鱼眼镜头光学系统的光阑球差和图像的畸变,并应用本文方法复原物的图像分布.计算结果表明:光阑球差的计算结果与真值的相对误差小于1%;复原的物方图像径向高度相对误差小于0.25%,说明本文计算鱼眼镜头像场像差的方法是可行的.     

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.     

星载天底/临边大气紫外全景探测仪光学设计

星载紫外全景探测仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据天底和临边同时探测的研究目标,提出了一种天底视场和临边视场共像面的全新紫外全景探测仪光学系统结构,设计了一个中心波长360nm、带宽20nm、中心视场10°、环形视场360°×(70.31°~72.71°)、焦距5mm、相对孔径1/3.3的全景探测仪光学系统.利用光学系统的畸变增加边缘视场的能量,同时利用光阑像差产生的有效像差渐晕来提高边缘视场的像面照度,边缘视场的相对照度达到98%以上.将天底视场光路和临边视场光路建立多重结构,利用ZEMXA-EE软件的多重结构优化功能同时优化设计天底视场光路和临边视场光路,设计结果表明,天底和临边视场的光学传递函数均大于0.6@38.5lp/mm,满足设计指标要求,且体积和质量小,适合空间应用.     

无遮拦离轴天文望远镜偏振像差分析及其对光学椭率的影响

随着天文探测水平的提高,偏振像差对天文望远镜成像质量的影响逐渐凸显。基于偏振光线追迹,分析了一种用于探测宇宙弱引力透镜效应的无遮拦离轴天文望远镜的偏振像差,得到了该望远镜的琼斯瞳、振幅响应矩阵以及望远镜中各个反射镜的二向衰减和相位延迟分布特性。计算发现偏振像差会影响该望远镜的成像对比度,同时还会改变其点扩展函数的空间分布。计算了偏振像差对望远镜光学椭率的影响,结果表明偏振像差会导致该望远镜光学椭率在全视场范围内发生不同程度的变化,最大改变量为7.5×10~(-3),平均改变量为2.7×10~(-3)。在视场[-0.0487°,0.155°]附近,偏振像差使得该望远镜光学椭率最大插值误差由1.2×10~(-4)增大为1.1×10~(-3)。本文研究结果表明,对于探测弱引力透镜效应等要求超高成像质量的天文望远镜,偏振像差不可忽略,需要进行优化设计。     

基于光的反射与折射定律的表述方法推导及应用

光的反射和光的折射是几何光学应用中最基本的方法。在现代精密光学元件加工过程中,其不同的表述方法可以为光线追迹、棱镜误差分析以及棱镜装调提供不同的解决思路。介绍了光的反射定律和折射定律的传统形式表述方法,并推导了光的反射定律和折射定律的矢量、矩阵及四元数3种表述方法。通过Matlab辅助下的模拟计算,得到施密特棱镜检验光路中2个不同区域入射光线的反射在水平方向上对称分布于前表面反射像两侧,与实际应用相符,实现了矢量、矩阵和四元数表述方法在施密特棱镜检验光路中的应用。3种表述方法可以为光线追迹、棱镜误差分析以及棱镜装调提供科学、实用的解决方法。     

KBA X射线显微镜分辨力模型

 综合考虑了几何像差、衍射效应和加工精度等因素对KBA X射线显微镜分辨力的影响,构建了分辨力模型。通过光线追迹模拟得到了不同视场位置的边缘响应函数,以20%～80%的评价标准确定了几何像差分辨力。由构建的空间分辨力模型得到理论分辨力。KBA X射线显微镜整个视场几何像差分辨力、理论分辨力和实测分辨力基本一致。用单层膜KBA 显微镜获得的X射线成像结果,得出中心视场的分辨力约为4 μm,±100 μm视场的分辨力优于5 μm。实验结果表明,几何像差对空间分辨力影响权重相对较大,是影响空间分辨力的决定性因素,其它因素的影响相对较小。     

单层膜Kirkpatrick-Baez显微镜的分辨率模型

 分析了几何像差、衍射效应和光学加工精度等因素对不同工作能点的单层膜Kirkpatrick-Baez显微镜成像质量的影响,构建了该显微镜的均方根空间分辨率模型,用Ir单层膜KB显微镜获得了8 keV能量的X射线成像结果,其中心视场的分辨率约为2 mm,±50 mm视场的分辨率优于5 mm。实验结果与分辨率模型的对比表明,中心视场的分辨率受球差、衍射效应和反射镜加工精度的综合影响,边缘视场的分辨率主要由系统的几何像差决定。     

用2种光学设计软件对像差特性进行的研究

目前用于光学设计的计算机辅助设计有许多种,但它们在像差特性参数的形式和表示方法上不尽相同,特别是国内外软件的这种差别更为明显,例如：ZEMAX将球差表示为“Longitudinal aberration”(纵向像差),其表示形式也与国内软件不同。另外,有些像差参数需要转换。采用美国焦点软件公司开发的光学设计软件ZEMAX和国内北京理工大学编写的DOS版CAOD对同一双胶合透镜进行光路计算,同时对其轴上球差、彗差、场曲和畸变等主要几何像差在2个软件之间的差别进行比较,以建立国内软件与国外软件在进行光学镜头设计时的光学像差特性参数的转换关系,并为光学设计者提供设计一种镜头或光学系统时使用不同的软件进行数据核查和复算的方法。     

几何光学 像差、像质评价

O435.22006010024晶体元件的像差计算=Calculation of aberations intro-duced by a crystal components[刊,中]/张为权(浙江理工大学物理系.浙江,杭州(310033))∥光子学报.—2005,34(7).—1090-1093建立了折射光线轨迹的软件包,提出了波像差的计算方法。利用这个软件包,分析了双焦透镜的各类像差和像差与入射角的关系。这个软件包的特点是各种物理量的计算十分清晰,它为改进晶体元件的设计提供了理论依据。图8参8(王淑平)几何光学 像差、像质评价@王淑平…     

基于个性化人眼模型的大视场波像差特性的研究

大视场波前像差对人眼光学系统的影响不容忽视。运用Zemax光学设计软件分别为8只正常人眼构建了个性化的人眼模型,该人眼模型由实际测量的人眼波前像差数据、角膜地形数据及眼内各部分轴向间距数据优化得来,与个体人眼具有相同的光学特性。在此基础上,分析了人眼颞侧方向0°,10°,20°,30°,40°,50°视场的离轴像差随视场角的变化趋势,得出边缘视觉比中央视觉质量差主要来源在于像散与彗差。四阶以上的高阶像差随着视场角的改变,变化不大。将个性化人眼模型计算得到的大视场波前像差值与用哈特曼夏克(Hartmann-Shack)波前传感器实际测量得到的人眼像差值相比较,两者结果相吻合。     

高分辨率Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

为了克服光栅光谱仪分辨率低、像差较大、体积大的缺点,根据光谱仪工作原理和几何光学像差理论,设计了一种光谱范围为350~450nm的Czerny-Turner光谱仪光学系统.计算了光学系统各光学元件的特征参量和系统结构参量.运用光学设计软件Zemax对系统进行光线追迹与优化设计,并对设计结果进行分析.理论和实验结果均表明,该系统在350~450nm光谱范围内分辨率小于0.1nm,系统体积约为105×105×20mm3,整个光学系统具有结构简单、体积小、分辨率高、稳定性好等优点.     

红外目标仿真光学机构

论述了目标仿真机构的用途、仿真的光学原理以及实现原理的光学系统。对其中的两个光学问题的研究作了详细地论述 ,即干扰光路 2倍于目标光路的视场角以及如何由摆镜的摆动实现。由于析光镜与光轴成 45°角 ,使像点在子午方向被拉长约为弧矢方向的 10倍。为了减少子午像差 ,将两块析光镜作成略带楔角的楔形镜。结果表明 ,由于该机构的尾焰、尾喷管用的是同一条光路 ,所以使结构大为简化 ,这对降低转动惯量非常有利 ;由于有干扰弹仿真 ,使机构的功能得到了扩大     

基于小孔光阑的CCD过饱和像差分析方法

如何比较全面、准确地观测和分析光学系统的几何像差一直是光学以及光学设计领域中的一个重大问题.本文提出了一种观测和分析光学系统像差的新方法——基于小孔光阑的CCD过饱和分析方法,以激光为照明光源采用开放式的光路搭建,利用定标孔阑划分波带并结合CCD过饱和的分析手段.该方法具有原理易懂、操作简单、图样信息丰富、现象明显直观、成本低廉等优点,不仅为分析和观测光学系统的几何像差提供方便,同时也为光学系统的相关研究提供借鉴.     

宽覆盖高分辨率机载相机光学系统设计

针对机载相机广域高效航拍作业需求,采用新型级联光学成像结构,设计了一种宽覆盖高分辨率机载相机光学系统。该系统由对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列组成,对称前置同心物镜获取剩余像差均匀的宽视场曲面像,中继转像透镜阵列对该曲面像进行视场细分、剩余像差校正及中继成像。所设计的机载相机光学系统焦距为60 mm、F数为3.4、视场角可达132°。基于一阶理论和像差特性,在不同飞行高度对地观测时,研究了机载相机光学系统的成像质量与宽视场曲面像的关系,获得系统在不同飞行高度实现清晰成像的方法。通过像质评价,结果表明,优化设计的系统在低空、中空及高空进行对地观测时,像面光线追迹点列图方均根半径均优于1.6μm,在奈奎斯特频率为230 lp/mm处,调制传递函数均达0.4,系统成像性能优异且像质均匀。新型级联光学成像系统适用于不同飞行高度的机载相机。     

星载超广角气溶胶探测仪均匀像面性光学设计

为满足空间遥感的迫切需求,设计了星载低畸变超广角气溶胶探测仪系统.系统中多光谱成像仪的光谱范围为0.860~0.965 μm,全视场角为94°,相对孔径为1∶4,采用反远距结构,系统后工作距离为42 mm.根据反远距结构的像差特点,提出了合理选用易于加工的二次曲面校正畸变,并利用光阑像差产生的有效像差渐晕改善像面照度分布设计方法.运用光学设计软件CODE V和ZEMAX对气溶胶探测仪光学系统进行了光线追迹和优化并对设计结果进行了分析.结果表明,最大畸变为-1.6%,像面上边缘视场的照度大于中心视场照度的46%,光学系统在奈奎斯特频率38.5 lp/mm处的光学传递函数均达到0.59以上,完全满足设计指标要求;体积小,适合空间遥感应用;同时证明了设计方法是可行的.