自由曲面校正光学系统像差的研究EI北大核心CSCD

利用条纹泽尼克多项式来表征自由曲面的光学元件,并将多项式中表示初级球差、彗差、像散项转换为矢量形式.利用矢量波像差理论,研究了自由曲面光学元件校正光学系统初级像差的特性.通过分析可知,自由曲面在光学系统中不同位置时所校正的像差特性不同.当自由曲面位于光学系统的孔径光阑(入瞳或出瞳)上可以校正光学系统全视场内为常数的初级像差;当自由曲面远离孔径光阑时,由于轴外视场成像光束口径的缩放与偏移,自由曲面可以校正非对称初级像差,且不同初级像差与视场依据关系不同.     

头盔显示器自由曲面光学组件的优化设计

根据设计要求计算了非共轴球面光学系统的初始结构,选定泽尼克多项式为自由曲面面型,利用正交泽尼克多项式与像差的关系,调整曲面参数校正系统的像差,运用CODE V进行系统优化。通过设计实例对比了直接优化和分步优化方法,由对比结果可知,分步优化更适用于自由曲面光学组件的设计。仿真结果表明:系统在整个视场范围内,点列斑直径小于27 m,网格畸变的最大值为-7.15%,30 lp/mm处的MTF大于0.197。     

自由曲面光学系统设计及其应用

介绍了自由曲面光学系统研究背景,自由曲面描述方法,光学设计中的逐步逼近优化和像质自动平衡优化两种算法。并以实际应用中的头盔光学系统设计及大视场、高分辨率头盔显示器的设计为例对这些方面进行分析,讲解了自由曲面光学系统设计及其应用。     

头戴显示器中自由曲面棱镜的设计

由自由曲面棱镜光学系统所组成的头戴显示器具有体积小、像质高和视场大等优点.利用矢量像差理论傍轴近似结果对具有倾斜曲面的光学系统进行初始结构设计,根据这种方法,以KOPIN公司生产的VGA芯片为例,对头戴显示器中自由曲面光学系统进行设计,将确定的初始结构参数输入光学设计软件Zemax进行优化设计.设计结果验证了确定初始结构方法的可行性,表明头戴显示器中自由曲面棱镜的设计方法可应用于具有倾斜曲面的光学系统设计.     

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。     

融合光学椭率判据的自由曲面望远镜设计方法

光学椭率是联系天文望远镜光学设计与暗物质探测科学目标的一项核心性能指标,然而目前还没有将椭率作为指标融入光学系统优化设计过程的完整方法。提出了一种融合光学椭率判据的自由曲面望远镜光学设计方法,依据椭率与彗差、像散等非旋转对称像差的关系,提出了椭率关联性较强的像差分量优先校正原则,开拓了主要离轴像差校正后通过MZDDE在评价函数中融入椭率判据的设计思想,结合离轴三反系统中像差节点与椭率节点在优化过程中的演变规律,建立了自由曲面面型Zernike项的优化策略。据此设计了离轴三反自由曲面天文望远镜,系统有效焦距为600 mm,口径为200 mm,视场为4°×4°。通过波像差和椭率的联合优化,成像像质及光学椭率得到了同步有效控制,波像差近衍射极限,椭率最大值为0.030 3,平均值为0.015 6。与从低阶项到高阶项的传统像差校正优化方法相比,该方法采用相对较小的自由曲面偏差,设计的自由曲面望远镜成像质量和椭率性能得到了同步控制,充分发挥了自由曲面的效能,设计效率优势明显。     

利用离轴三反镜光学系统确定各镜的装调公差

利用条纹泽尼克系数与赛德尔像差的关系,在三反镜光学系统的出瞳面上,用条纹泽尼克系数来表示系统的波像差。通过光学设计软件Zemax计算得到三反镜光学系统各镜的装调公差,以公差要求高的镜面作为装调基面,从而减少要调整的自由度。通过分析泽尼克(Zernike)系数在公差范围内的变化幅度来确定光学系统在出瞳面上各个像差的变化幅度,用该幅度的变化量来决定主次三镜各自由度在各个方向上的敏感度,最终确定各个自由度的优化调整级别。对一大口径无遮拦离轴三反镜光学系统进行了装调,在波长λ=632.8nm的条件下进行了检测。结果表明:整个光学系统全视场波前误差的均方根值RMS=0.108λ。     

自由曲面机载头盔显示器光学系统设计

为了解决传统头盔显示器大出瞳距、大视场与轻型化、小型化间的矛盾,采用径向基函数表征自由曲面设计了一款头盔显示器光学系统。详细论述了径向基函数表征自由曲面的原理,分析了光学系统像差校正方法。在设计中,尝试了一种方法来快速地确定优化起点,分析了该光学系统的成像质量。该光学系统的视场为45°×32°,出瞳大小为15mm,出瞳距为50mm。在奈奎斯特频率处,全视场的调制传输函数(MTF)值大于0.6。在(-22.5°,16°)视场处有最大畸变值-1.54%。系统尺寸56mm×128mm,重量136g。优化设计结果表明,该全息头盔显示光学系统像差小,可以较好地为使用者提供清晰的字符信息或者视频图像。该头盔显示光学系统成像质量好,体积小重量轻,可以应用于新一代机载头盔显示技术。     

机载相机非球面光学系统热光学特性分析

环境温度是影响非球面光学系统成像质量的主要因素之一,采用热光学特性分析方法,对某机载相机非球面光学系统进行热光学特性分析,通过有限元法分析相机光学系统结构热变形,并去除镜面表面刚体位移,将面型数据输入光学软件程序进行Zernike多项式拟合,将拟合结果导入光学设计软件中,对非球面光学系统成像进行性能评价。分析结果表明:热光学特性分析方法可以有效地对非球面光学系统的实际工作环境进行仿真,预测环境温度对光学系统成像质量的影响,对光学系统设计具有指导意义。     

激光器光学系统光机热集成分析方法

论述了光机热集成分析方法原理及接口多项式,并将其应用于某激光器光学系统进行光机热集成分析。该分析方法首先对光学系统进行热分析、结构有限元分析计算,获取激光辐照下光学元件表面的结构变形;其次,对有限元计算的光学元件变形结果数据进行Zernike面形拟合处理;最后将变形后的光学表面导入到通用光学设计分析软件,分析激光器光学系统变形后产生的各类光学像差。结果表明：利用集成分析方法能够分析光学元件产生热变形对激光系统成像质量造成的影响,为光学系统设计提供参考。     

光学合成孔径成像系统子孔径像差研究

根据波像差理论，推导了光学合成孔径成像系统单个子孔径存在各种像差时波面方差与子孔径数(N)的关系。推导结果表明，piston误差对系统的影响最大，其次是离焦误差、倾斜误差、球差、彗差和像散。运用离焦误差对piston误差、球差和像散进行像差平衡，其效果显著，特别是球差引起的波面方差下降90％。系统各项像差系数随子孔径数的增加而降低;当子孔径数大于6时，各像差系数变化缓慢。根据瑞利判据，计算N(N≤6)个子孔径合成系统的像差允限和相应的3孔径系统的斯特列尔比。     

投影物镜小比率模型的计算机辅助装调

针对小比率模型光学系统光学元件数量较多,无法用每个补偿量去补偿对应失调量的问题,提出利用计算机辅助装调方法,通过建立系统的灵敏度矩阵找出偏心失调量和倾斜失调量的内在联系来缩小补偿量的选择范围。根据失调量敏感度的分析,提出了只用4个补偿量补偿系统波像差的想法,并对所选补偿参量的补偿效果进行仿真,以此近一步验证想法的可行性。光学系统初装完成后,将实际测得的系统波像差以36项Fringe Zernike多项式的形式代入灵敏度矩阵,计算得到补偿参量的补偿值和移动方向,用驱动器实现像质补偿。实验结果表明：系统波像差（RMS）由50.864 nm提高到25.993 nm,优于技术指标要求,证明了所选的4个补偿量的正确性和有效性。     

基于热光学技术的空间光学系统热设计

为了验证空间光学系统热设计的合理性,利用光-机-热集成的热光学分析技术论证了空间光学系统的热设计方案。首先,阐述了热光学技术的一般方法以及热光学技术与热设计的关系,同时根据空间光学遥感器所处的空间环境和结构特点,应用被动和主动热控技术对空间光学系统进行了热设计。然后,利用有限元方法对热控后的温度场和热弹性变形进行了分析,得出该温度载荷条件下光学元件表面的变形量及刚体位移量,利用Zemike多项式进行了波面拟合。最后,用CodeV光学设计软件计算了热载荷作用下光学系统的传递函数。结果表明,各种工况下全视场范围内光学系统分辨率为50lp时,传递函数均超过0．5,成像良好,能够满足光学设计指标,热设计方案合理可行。     

衍射效应对空间可展开光学系统像质的影响

空间可展开光学系统采用的是主动控制的拼接主镜。基于波动光学衍射理论分析了光学系统在几种展开方式下由主镜形状、分块镜间隙等因素引起的衍射效应,这为评价展开方式提供了光学理论依据。     

光学窗口形变对平行光管光学性能影响分析

由于环境工况的多变性,光学窗口设计交叉了光、机、热等多种学科。在压差、轴向温差及径向温差工况下,分析光学窗口形变对某大口径、长焦距平行光管光学性能的影响,建立了光学窗口的有限元模型,与理论结果进行对比,验证了该有限元模型的有效性。以有限元分析得出的光学窗口变形数据为输入数据,带入改进了的Zernike多项式光机分析接口程序,获得了与像差对应的Zernike系数。用得到的Zernike系数表示光学窗口面型,以波像差作为光学系统成像质量评价指标,分析光学窗口变形对大口径、长焦距平行光管系统光学性能的影响。结果表明:光学窗口变形对平行光管系统光学性能的影响可以忽略不计。     

基于矢量波像差理论的计算机辅助装调技术研究

在三阶矢量波像差理论的基础上,建立了系统内失调量与系统波像差Zernike系数的关系式,并以共轴三反射光学系统为数学模型进行了仿真分析.结果表明,基于矢量波像差理论的装调技术可行,并可用于大型光学系统的装调.利用该理论对一共轴非球面三反系统进行装调,最终使系统波像差RMS<0.080λ.     

基于液晶纯相位光调制器的4f系统去噪方法

分析了4f系统的噪声来源,提出使用液晶空间光调制器实时去除系统噪声.通过使用Zemike多项式拟合透镜等光学器件引入的像差,根据液晶纯相位光调制器利用位相共轭波进行静态波面校正的工作原理,提出了一种新的相位校正算法,模拟仿真美国BNS公司反射式256×256纯相位液晶空间光调制器,通过重构并逼近畸变波面,产生相位共轭波...