球棱镜及其应用

现代科技的迅速发展促进了非共轴光学系统的发展和日益广泛的应用。球棱镜是非共轴光学系统常采用的光学元件之一。合理采用球棱镜元件可以设计出一系列具有不同用途的光学系统。它们具有尺寸小、重量轻、结构紧凑等特点，并且具有共轴光学系统难以达到的一些光学性能，因而也拓宽了光学系统的应用范围。本文从非共轴光学系统出发，对球棱镜的种类和性能特点进行了阐述，并介绍了其在非共轴光学系统中的几种应用。     

共轴偏光瞳宽视场折轴三反射光学系统设计

共轴偏光瞳系统克服了共轴系统视场角有限,离轴系统加工和装配困难等缺点,能更好满足空间对地观测等领域的要求.由共轴三反系统求解共轴偏光瞳无遮拦三反射镜光学系统的初始结构参数,设计了焦距为3 000 mm,F数为10的共轴偏光瞳的三反射光学系统.设计结果表明:该系统视场角达8°×0.8°,空间频率50 lp/mm,调制传递函数值均大于0.55,接近衍射极限,满足系统对成像质量的要求.     

非共轴光学系统计算机辅助设计软件包

本文描述非共轴(含共轴)光学系统计算机辅助设计软件包(简称TILTCAD软件包),包括像质评价、像差自动平衡和绘图程序等特性,并对计算结果进行了验证。最后给出了软件包的几种应用。     

大口径红外离轴三反光学系统设计及公差分析

在空间光学领域中,光学系统的发展趋势为长焦距、大视场、轻量化、大相对孔径、高成像质量等。为适应该发展趋势,对大口径反射式光学系统进行研究,在共轴三反系统的成像理论基础上,为避免中心遮拦,提高成像质量,采用视场离轴方式,设计了一款大口径离轴三反式光学系统。该光学系统在奈奎斯特空间频率17 lp/mm处,光学传递函数MTF大于0.75,成像质量接近衍射极限。此外,光学系统公差的合理分配是影响相机总体性能的主要因素,运用公差灵敏度分析和反转灵敏度分析,计算各公差对光学系统成像质量的影响,给出了合适的公差分配,经过模拟分析,按照给定的公差加工装调,系统光学传递函数大于0.55。     

非共轴光学系统计算程序的若干问题

本文讨论了非共轴光学系统点列图计算程序中的几个主要技术问题;提出了理想面和虚设面概念;运用了切比雪夫数值积分。     

高光谱成像仪中曲面棱镜的装调公差研究

基于曲面棱镜的光谱成像技术是近几年该领域研究的热点,但曲面棱镜前后球面的非共轴特性使得曲面棱镜的装调难度远大于传统共轴光学系统.装调误差是影响成像系统最终成像质量的重要因素,目前曲面棱镜高光谱成像仪的公差分配方法大多以系统调制传递函数(MTF)为评价指标,未考虑装调误差对谱线弯曲、色畸变的影响.利用几何光学方法研究了曲...     

低阶模式校正自适应光学系统的非等晕限制

分析了非科尔莫戈罗夫湍流情况下,自适应光学系统低阶模式校正时的非等晕误差、泽尼克系数角相关函数、残余相位结构函数以及长曝光光学传递函数,并定义了一个新变量－－模式校正因子,用来有效评价目标非等晕误差对低阶模式校正自适应光学系统补偿效果的影响。此外还给出了光波水平大气传输时模式校正因子以及低阶模式校正系统长曝光光学传递函数的数值计算结果。     

高分辨率空间相机共轴三反光学系统实现形式研究

为了设计出高分辨率空间相机的光学系统,研究了反射式光学系统中存在次镜对主镜的中心遮拦等问题.通过对共轴三反射光学系统结构参数和最终视场在像面上的分布情况的分析,提出了半视场、全视场和环形视场3种光学形式,设计了焦距为3000mm、F数为10的3种形式的共轴三反光学系统.设计结果表明:3种共轴三反光学系统在有效视场角内成像质量均接近衍射极限,可以满足高分辨率空间相机不同的使用要求,指出半视场共轴三反光学系统适合于线阵CCD推扫成像,全视场共轴三反光学系统可用于面阵CCD凝视成像,环形视场共轴三反光学系统可实现一台相机上全色和多光谱成像的要求.     

具有透镜中心误差光学系统的光线追迹方法

光学零件中心误差的国家标准即将颁布。新标准对光学零件中心误差作了重新定义,规定一律用角偏心代替原来的线偏心,並要求在光学零(部)件图纸上逐面给定中心误差(面倾角)x值。为合理给定中心误差,势必要计算各表面中心误差对光学系统成象质量的影响。为此,本文给出具有透镜中心误差光学系统光线追迹公式,而且对此套公式稍加变化便能计算非共轴光学系统。     

大视场大相对孔径斜轴离轴三反望远镜的光学设计

推导了离轴三反光学系统的线性像散平衡条件,在此基础上采用倾斜母镜光轴的方法设计了大相对孔径时大视场像散校正的斜轴离轴三反光学系统.系统视场为5°×5°,相对口径为1/3.1,口径为250mm,波段为400～2 500nm.将该系统与相同光学参数的共轴二次非球面离轴三反系统和共轴高阶偶次非球面离轴三反系统进行对比.结果表明斜轴离轴三反光学系统所有视场的光学传递函数在17lp/mm处均大于0.73,由于反射面采用圆锥曲面,其在偏轴视场成像质量方面有明显优势.对斜轴离轴三反光学系统的加工与装调进行了分析,其公差较为宽松,验证了其结构实现的可行性.     

二维调制传递函数及其在波前差检测方面的应用

光学系统像质分析在光学系统设计、加工和装调过程中具有重要意义.像质分析常用的方法有调制传递函数法和波前差法.对于高分辨率光学系统,传统的一维调制传递函数由于只提供了一维空间频率信息,因此在像质检测时有一定的局限性.本文基于随机数图像的傅里叶功率谱密度理论,提出了一种利用随机数图像作为目标物来测量成像光学系统二维调制传递函数的方法;通过利用NewtonCotes求积公式,对有像差系统的光学传递函数计算公式做进一步推导,提出了利用实际成像光学系统的二维调制传递函数值直接计算系统波前差的算法.实验结果表明,二维调制传递函数较之一维调制传递函数更能真实地反应成像光学系统的成像性能;利用二维调制传递函数计算得到的波前差与理论波前差在轮廓上有较好的一致性,可以作为实际系统波前差分析的一条新途径.     

三光束干涉仪理论

本文提出了一种与传统的Zernike三光束干涉仪理论不同的新的理论和“干涉”分析方法。文章不但给出了计算三光束光学系统传递函数的公式,同时也计算出三光束光学系统的光学传递函数以及这种系统所能达到的精度。     

数码裂隙灯显微镜光学系统的设计与实现

利用光学设计软件Zemax设计了一套具有6×,10×,16×,25×与40×放大倍率的五档式数码裂隙灯显微镜光学系统.在传统体视裂隙灯显微镜光学系统结构的基础上将数码型裂隙灯显微镜划分为共用前置物镜、伽利略望远镜、摄影物镜三部分,用平行式伽利略望远镜系统结构来改变倍率.研究了共用前置物镜、伽利略望远镜及摄影物镜的光学特性与技术指标要求,选取了合适的透镜类型.在共轴时拥有良好的成像质量基础下,将光学系统过渡到非共轴情况,再进行优化.优化后除40×时衍射极限较低外,在6×,10×,16×,25×情况下系统调制传递函数曲线值在空间频率为115lp/mm处基本大于0.2,点列图显示不同倍率下的弥散斑大小均基本小于艾里斑.该光学系统具有良好的成像效果,且整体结构简单,易加工,成本低,其性能很好地满足了整机要求.     

圆周式无遮拦三反射镜光学系统设计

为满足无遮拦三反射镜光学系统体积小、光学性能高的发展需求,提出了一种圆周式三反光学系统.以近轴矩阵法求解的共轴三反系统为初始结构,在保证各二次曲面反射镜的焦点依次衔接的条件下,将各元件适当地倾斜偏心使系统无遮拦,并使系统的光路折叠在三个反射镜所围成的区域内,减小了系统体积.使用子午面对称的Zernike多项式曲面校正系统像差,提高成像质量.设计的非致冷长波红外光学系统焦距为310mm,F数为1.55,视场为1.774°×1.331°.各视场的调制传递函数在Nyquist频率(20lp/mm)处均高于0.52.     

折轴三反射光学系统的计算机辅助装调技术研究

 给出计算机辅助装调中失调量与像差关系的数学模型,利用Zemax对折轴三反射光学系统进行失调仿真,得到失调数据,再对数据进行分析和处理,求得次镜和三镜的灵敏度矩阵,还对各种初级像差与各装调参量之间的对应关系及该系统的失调特性进行讨论。根据以上分析结果,最终确定了共轴三反射光学系统的装调方案。为了验证方案的可行性,在Zemax中对共轴三反射光学系统人为地加入不同的失调量后,按照确定的装调方案,利用建立的计算机辅助装调数学模型计算出失调量的大小和方向,再根据计算结果对共轴三反射光学系统进行调整,仿真结果和实际装调结果都证明该方案是可行的。     

部分相干光学成像系统的光学传递函数和像质评价准则

根据光学成像理论，建立了部分相干成像光学系统的光学传递函数。该函数与非相干成像光学系统传递函数相同，因而部分相干成像和非相干成像两者的光学系统波面像差公差标准也是相同的。这一点解释了显微镜光学系统的光学设计惯用法则：镜头像差公差标准的选择，并不因为采用成像照明方式的不同而有所差异。     

静态应力作用下预测光学系统性能的计算方法（英文）

本文通过计算预测光学性能的方法表征在光学系统组装和外界环境因素影响下的光学系统灵敏度。该方法即通过调制传递函数来表征静态机械应力对光学物镜性能的影响。采用光学干涉仪对经过加工、组装且存在机械应力的光学物镜进行测试,并比较实验调制传递函数与计算模拟分析的调制传递函数。结果表明,计算结果与实验结果相符,证实了本文方法的有效性。     

静态应力作用下预测光学系统性能的计算方法

本文通过计算预测光学性能的方法表征在光学系统组装和外界环境因素影响下的光学系统灵敏度。该方法即通过调制传递函数来表征静态机械应力对光学物镜性能的影响。采用光学干涉仪对经过加工、组装且存在机械应力的光学物镜进行测试,并比较实验调制传递函数与计算模拟分析的调制传递函数。结果表明,计算结果与实验结果相符,证实了本文方法的有效性。     

子孔径布局对拼接光学系统像质的影响

 由衍射理论模型出发,分析了子孔径布局对光学系统点扩散函数的影响,从而进行傅里叶变换计算出其对光学系统光学传递函数的影响|并由光学设计软件内嵌程序将子孔径布局实际地加入到设计的光学系统中,分析各种不同子孔径布局对光学系统像质的影响.通过由衍射理论出发的计算结果与设计软件内嵌程序的模拟仿真结果的对比,软件内嵌程序的模拟仿真结果得以验证.针对子孔径布局对具有相同相对孔径光学系统的影响进行了仿真计算,对与子孔径拼接原理样机具有相同相对孔径和中心遮拦比的反射式光学系统,针对相同孔径布局对其光学传递函数的影响进行了实际测试,通过仿真计算结果与测试结果的对比分析表明,孔径布局对具有相同相对孔径拼接光学系统的光学传递函数影响趋势一致的结论,从而为子孔径拼接原理样机研究的实用性及像质检测提供了理论依据.     

子孔径布局对拼接光学系统像质的影响

由衍射理论模型出发,分析了子孔径布局对光学系统点扩散函数的影响,从而进行傅里叶变换计算出其对光学系统光学传递函数的影响;并由光学设计软件内嵌程序将子孔径布局实际地加入到设计的光学系统中,分析各种不同子孔径布局对光学系统像质的影响.通过由衍射理论出发的计算结果与设计软件内嵌程序的模拟仿真结果的对比,软件内嵌程序的模拟仿真结果得以验证.针对子孔径布局对具有相同相对孔径光学系统的影响进行了仿真计算,对与子孔径拼接原理样机具有相同相对孔径和中心遮拦比的反射式光学系统,针对相同孔径布局对其光学传递函数的影响进行了实际测试,通过仿真计算结果与测试结果的对比分析表明,孔径布局对具有相同相对孔径拼接光学系统的光学传递函数影响趋势一致的结论,从而为子孔径拼接原理样机研究的实用性及像质检测提供了理论依据.