超大视场折反射全景光学成像系统设计

折反射全景光学成像系统具有平面对称光学系统的成像特性,提出应用光焦度控制方程和超大视场光学系统六阶波像差理论来初步确定系统结构初始参数,在此结构基础上,应用Zemax软件对其进行设计和优化,得到了一款仅由1块偶次非球面反射镜和6块折射透镜组成的折反射全景光学成像系统.该系统工作在可见光波段,全视场角范围为12°～178...     

应用波像差理论计算Kirkpatrick-Baez系统的调制传递函数

调制传递函数（modulation transfer function,MTF）曲线可以客观地评价光学系统的成像性能。基于平面对称光学系统的波像差理论,给出了Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜光学系统主要像差的波像差计算表达式,采用自相关法,通过Gauss-Legendre数值积分求解并绘制了KB系统的MTF曲线,且与光学分析软件的MTF曲线进行对比。结果表明:应用波像差理论计算调制传递函数不仅可以定量直观地分析KB系统的成像性能,而且能进一步解析光学系统的单项像差分布情况,提供更具针对性的系统优化方案。     

面对称光学系统的初级波像差理论研究

非旋转轴对称光学系统波像差理论的建立有利于理解旋转 轴对称光学系统的装调误差和离轴三反射光学系统等非旋转轴对称光学系统的选型设计. 本文利用旋转轴对称球面光学系统的全口径初级波像差理论推导了子孔径面对称光学系统的初级波像差分布公式, 证明了面对称光学系统中的节点像差理论, 即除球差外的所有初级像差的零值节点偏离视场中心, 而不再是视场的旋转对称函数; 并首次阐述了多零值节点初级非对称像差产生的根源和变化特性. 该理论可以有效指导非对称光学系统初始结构的选择和优化设计过程. 关键词： 面对称 像差 几何光学     

全息曝光系统轴向调节误差对光栅衍射波像差的影响

光栅衍射波像差作为全息光栅重要的技术指标之一,直接影响光栅分辨率,其中曝光光学系统的调节误差是引起光栅衍射波像差的主要因素。采用q参数讨论了高斯光束在光栅曝光光学系统中的传播和变换,通过计算高斯光束经准直系统后的相位给出了叠栅条纹相位分布的解析表达式,由此系统分析了曝光系统调节误差与光栅衍射波像差的关系。理论分析结果表明:左右曝光光路准直系统的相对离焦对光栅衍射波像差的影响最为显著;相对离焦量相同时,光栅衍射波像差随曝光系统焦距的减小而逐渐增大;理论模拟的条纹分布与实验中获得的叠栅条纹能够很好吻合。     

新型折反射式椭球形整流罩光学系统的设计

提出了一种可用于指导非旋转对称、折反射式光学系统设计的Wasserman-Wolf曲面设计方法,并将其用于设计椭球形整流罩光学系统,得到的系统具有结构尺寸小的优点。利用最小二乘拟合的方法使系统初始结构兼顾各个扫描视场的像差校正需求,克服了以往只针对零视场计算校正元件初始参数致使扩展至整个扫描视场时系统评价函数难以收敛的弊端。同时,从平面对称的矢量像差理论出发,分析了平面对称反射镜的像差特性,阐述了在不同扫描视场中,利用反射镜倾斜来进行动态像差补偿的原理。设计了一套工作波段为中波红外的椭球形整流罩光学系统,该系统的调制传递函数(MTF)在整个扫描视场内接近衍射极限。     

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。     

鱼眼镜头初始结构的设计

基于主光线传输方程,研究了鱼眼镜头前光组负弯月形透镜物像空间的视场角压缩比与结构参数之间的关系,并根据视场角压缩比及镜头尺寸的设计限制,初步确定前光组的结构参数。针对前光组具有平面对称光学系统的成像特性,应用平面对称光学系统像差理论计算前光组波像差;然后利用鱼眼镜头前、后光组波像差的平衡条件,求解后光组各透镜的光焦度及光学间隔;并将其作为限制条件,应用Zemax软件设计了由三块透镜组成的简单后光组系统。以该简单系统作为初始结构进一步复杂化,得到满足更大视场和孔径要求的鱼眼镜头。研究表明,所述方法为设计鱼眼镜头初始结构提供了一种新的思路,且避免了以往设计者过于依赖经验和参考专利的问题。     

反射式旋转对称光学系统中的偏振像差分析

为了控制反射式旋转对称光学系统中的偏振效应,对该类系统中的偏振像差进行了分析。在偏振像差理论的基础上,通过偏振光线追迹的方法,导出反射式旋转对称光学系统的偏振像差的计算公式,提出了反射界面产生的偏振像差的影响因子,对影响其偏振像差的因素进行了分析。实例分析结果表明,对于具有宽光谱、大入射角、大视场等特点的反射式旋转对称光学系统,要想提高其光学系统的性能,必须控制光学系统的偏振像差。提出尽可能减小入射角的大小,并通过薄膜设计减小偏振分离来降低系统中的偏振效应,是控制反射式旋转对称光学系统中的偏振像差的有效措施。     

非均匀激光辐照下硅镜热变形对光束传输特性的影响

 使用有限元法计算了硅镜在DF化学激光器非稳腔输出的中空非均匀激光辐照下镜面温升和反射面面形随时间变化的特性,使用65阶Zernike多项式对镜面面形进行了曲面拟合,使用光线追迹的方法计算了平行光束经不同数量硅镜反射后的光束波前分布PV值、Strehl比和Zernike像差系数随时间变化的特性。计算结果表明：在典型的DF激光器输出的中空方形光束辐照下,硅反射镜的热变形将使反射光束产生波前畸变,波前畸变中,y方向像散项占据主要地位,其次是离焦项;随着激光系统中反射镜面数量的增加,高阶像差系数将逐渐增大,且波前PV值与反射次数成线性关系。     

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.     

折射率失配对双光子三维光存储中像差的影响

双光子吸收三维光信息存储是实现高密度光存储的重要方法。三维数据写入过程中光束需经过两层不同的介质(如空气和存储材料),对像差和存储效果产生很大的影响,因此在理论和实验上分析系统各项光学参量对折射率失配引起的像差和存储效果的影响具有很大的意义。首先建立光学存储系统模型,在平行平板条件下,利用波像差函数推导展开,获得五项初级(赛德耳)像差,即球差、彗差、像散、场曲、畸变,然后对于存储材料在水平和倾斜两种情况下对初级像差进行模拟计算与分析,理论模拟与实验表明:物镜的数值孔径越大,像差随着存储深度增加而增大的速度就越快。     

亮孤子在宇称时间对称波导中的传输和控制

基于光波在宇称-时间(PT)对称波导中传输的理论模型, 数值研究了亮孤子在呈高斯分布的PT对称克尔非线性平板波导中的传输和控制. PT对称波导, 要求波导的折射率分布呈偶对称, 而增益/损耗分布呈奇对称. 结果表明: 当波导的折射率分布强度为正时, PT对称波导的中心折射率最大, 即使没有自聚焦克尔非线性效应, PT对称波导也可以束缚光波, 形成波浪形光束且长距离传输; 当折射率分布强度为负时, PT对称波导的中心折射率最小, 光波的传输方向发生偏移. 而增益/损耗分布可控制光波的偏移方向: 增益/损耗分布强度为正, 光波向左偏移; 强度为负, 光波向右偏移; 强度为零时, 光波被分为两束. 且当折射率分布强度为负时, 可以很好地抑制相邻亮孤子间的相互作用. 该研究结果可为未来PT对称波导在全光控制方面的应用提供一定的理论依据.     

Analysis of aberrations of an image formed by a system of noncentered optical surfaces

In the general case of an arbitrary arrangement of optical surfaces in space, it is proposed to take a straight line passing through the center of the entrance pupil perpendicularly to its plane as an assembly base. The coordinates of a point in the object plane and in the entrance pupil plane uniquely determine the position of the incident ray in the space. The wave aberration in the image of a point is represented by a power series of the general form as a function of these coordinates with terms of up to the fourth order. Aberrational analysis of individual components of this series is carried out. A particular case of decentering of an individual component in an axially symmetric optical system is considered. A new kind of aberration is shown to appear in this case.     

Orientation-enhanced nonlinear optical properties and phase-conjugate reflective system of a novel Azobenzene doped polymer film

This paper reports that the nonlinear refractive index of a novel organic optical storage film doped azo-diphenylamine polymer is measured by using the $Z$-scan technique. The nonlinear refractive index up to $3.7\times 10 ^{ - 6 }$~cm$^{2}$/W induced by thermo-optical effect is obtained. It indicates that the sample has excellent optical nonlinear properties. The physical mechanism of the great nonlinear optical effect is analysed and the optical conjugate characteristic is also discussed with degenerate four-wave-mixing. The phase conjugate wave diffracted from the formative refractive index grating in the sample is acquired and its equivalent reflectivity reaches about 22{\%}. On this basis, the reflective wave phase-conjugated mirror system was designed, and the image aberration experienced in propagation in the storage experiment is corrected by using the system.     

Dissipative optical flow in a nonlinear Fabry-Pérot cavity

We describe a classical nonlinear optical system that displays superfluidity and its breakdown. The system consists of a self-defocusing refractive medium inside a Fabry-Pérot cavity with a cylindrical obstacle. We have numerically solved for the transmitted beam when an incident plane wave strikes the cavity at an oblique angle. The presence of the incident beam pins the steady-state phase of the output, preventing the formation of vortices or time-dependent flow. When the incident beam is switched off, a transient wake of moving optical vortices is produced. This is analogous to the breakdown of superfluidity above a critical velocity.     

一种折反式红外/激光复合导引头光学系统设计

设计了一种用于长波非制冷红外和半主动激光复合导引的共口径折反式光学系统。为了减小反射式系统的零件加工和装调难度,将卡塞格林系统次反射镜简化为平面反射镜,主反射镜采用金属抛物面,优化目镜组透镜尺寸,避免光路内部遮挡,利用反射式系统一次像面,配合红外材料选取实现红外通道的光学被动消热差设计;在平行光路中设置平板分光和激光窄带滤光片,提高系统分光效率和透过率。设计结果表明:红外通道特征频率35.7 lp/mm处MTF＞0.2,激光线性区为2°,满足系统指标要求。