1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
针对空间相机轻量化、小型化要求，采用一体式环形孔径透镜。由于基底单一和结构紧凑，系统存在色差和球差，引入衍射光学元件和偶次非球面校正像差，而单层衍射光学元件在宽波段存在衍射效率下降等问题，设计了一种端到端式光学-数字联合成像系统，对影响衍射效率主要级次的点扩散函数进行一致性优化，构建出空间不变的点扩散函数模型，为后续图像复原建立复原函数模型，实现退化图像的复原。最终光学-数字联合成像系统工作波段确定为0.45~1 μm，焦距为185 mm，视场为5°，F数为4，遮拦比为0.35，系统总长为67.8 mm。
光学设计 环形孔径 单层衍射光学元件 端到端设计 图像复原 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411006
1 浙江工业大学理学院，智能光电研究所，浙江 杭州 310023
2 山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室，山东 青岛 266237
针对传统混合区域振幅自由度（MRAF）算法衍射效率低、非信号区域有散斑等问题，提出一种改进的MRAF算法。该算法引入球面相位作为初始相位，使用动态振幅限制，利用基于全域振幅限制的迭代方案确定最佳Z值，并使用爬山邻域算法对得到的相位进行分段式迭代优化，从而改善了非信号区域由于完全无振幅限制有散斑的问题。具体地，在全区域振幅限制阶段所提算法确保了目标光斑的匹配性并可以抑制散斑效应，而在混合区域振幅限制阶段则减小了误差。通过在三角形上进行数值仿真，对最终获得的结果进行光学实验仿真，结果表明，改进后的MRAF算法有97.77%高的衍射效率和0.09%低的均方根误差，并且峰值背景比（PBR）由0.0079提高至2.0357，相比基础的MRAF算法，对目标区域外围的散斑抑制效果更好，具有更高的应用价值。
衍射光学元件 光束整形 迭代算法 衍射光学元件设计 微纳光学 光学学报
2023, 43(22): 2223002
Author Affiliations
Abstract
Universität Stuttgart, Institut für Technische Optik, Pfaffenwaldring 9, 70569 Stuttgart, Germany
A camera-based single-image sensor is presented, that is able to measure the distance of one or multiple object points (light emitters). The sensor consists of a camera, whose lens is upgraded with a diffractive optical element (DOE). It fulfils two tasks: adding a vortex point spread function (PSF) and replication of the vortex PSFs to a predefined pattern of K spots. Both, shape and rotation of the vortex PSF is sensitive to defocus. The sensor concept is presented and its capabilities evaluated both on axis and off-axis. The achieved standard deviation of the error ranges between 8.5 μm (on-axis) and 3.5 μm (off-axis) within a measurement range of 20 mm. However, as soon as calibration and measurement position no longer match, the accuracy is limited. An analysis of the effects responsible for this are also part of the publication.
Depth measurement PSF modification Diffractive optical element Digital image correlation Multipoint method singleshot 3D Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023017
红外与激光工程
2023, 52(7): 20230430
强激光与粒子束
2023, 35(4): 041002
西北工业大学物理科学与技术学院光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室，陕西省光信息技术重点实验室，陕西 西安 710129
基于衍射元件的特殊成像性质，使用双层衍射元件进行双波段红外光学系统设计已成为研究热点。使用双层衍射元件能够有效提升宽波段的衍射效率，在简化系统结构的基础上提高像质。将红外成像系统设计为制冷型结构，能够消除背景噪声干扰，保证100%的冷光阑效率。基于带宽积分平均衍射效率最大化方法，设计了一款含有双层衍射元件的制冷型双波段红外光学成像系统，实现了在双波段红外和宽温度范围下的无热化设计。光学系统含有三片透镜，仅由两种材料组成，入瞳直径为80 mm，焦距为100 mm，F数为1.25，有效视场为6°，工作波段为3.7~4.8 μm和8.0~12.0 μm，工作环境温度为-40~60 ℃。分析结果表明，在整个温度范围内，在17 lp/mm截止频率处，双波段红外光学系统所有视场的调制传递函数分别高于0.78和0.59，同时双层衍射元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率分别为99.35%和98.73%，综合带宽积分平均衍射效率为99.04%。此光学系统的结构设计简单，成像质量好，在**和商业应用中具有一定优势。
光学设计 衍射元件 双波段红外 衍射效率 无热化
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心，北京 100081
3 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
衍射光学元件（DOE）因其轻型化、小型化和多功能化等特点，在现代光学系统中得到了越来越广泛的应用。针对不同应用场景下DOE的性能需求，研究人员需要灵活运用DOE的设计方法进行设计。通过回顾DOE设计的基本原理简述了现有基于衍射原理和干涉原理的DOE设计方法，通过几种典型应用中的最新进展阐述了具体的DOE设计方法及其适用性，并对DOE设计中的难点及其在未来科技中的可能应用方向进行了展望。
光学设计 衍射光学元件 设计 适用性 应用
1 江南大学理学院，江苏 无锡 214122
2 江苏省轻工光电工程技术研究中心，江苏 无锡 214122
将机器学习算法应用于设计连续型相位分布的衍射光学元件（DOE），该元件可用于激光整形。将DOE的相位分布数据拟合为多项式，通过神经网络构建系统参数（如束腰半径、目标面的大小、DOE和目标面的距离等）与DOE相位系数之间的映射关系。基于这种关系，当给定一组系统参数，可以自动预测出DOE的相位系数。该方法克服了传统设计方法在参数改变时需要通过重新迭代来计算相位分布的局限性。研究了系统参数超出训练范围对预测精度的影响，分析了各个参数对预测能力的影响。结果表明：该方法在系统参数的训练范围内对相位系数的预测准确度均在99.9%以上。当所有参数在预先训练范围基础上正向和反向同时扩大80%和55%时，预测的准确度依然保持在99.5%和97.5%以上。研究也表明，目标面小于预定的范围对预测的准确度影响最明显。
光学器件 光学设计 衍射光学元件 光束整形 神经网络 回归分析
阮仁杰 1,2,3曹银花 1,2,3王晓帆 1,2,3马艳红 1,2,3[ ... ]兰天 1,2,3,*
1 北京工业大学 北京市激光应用技术工程技术研究中心， 北京 100124
2 北京工业大学 跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室， 北京 100124
3 北京工业大学 材料与制造学部 先进半导体光电技术研究所， 北京 100124
为解决现有点阵结构光投影装置中准直透镜会导致较强的零级衍射而造成投影点阵光强分布不均匀的问题，提出了一种基于底发射垂直腔面发射激光器的片上点阵光投影装置结构，并给出了衍射光学元件设计思路。首先对目标光场进行光强调整和坐标变换，在无准直透镜情况下利用基于瑞利-索末菲衍射积分的Gerchberg-Saxton改进算法获得片上衍射光学元件的相位分布，并最终对该点阵投影装置的投影效果进行评估。结果表明：在衍射光学元件设计过程中采用高斯光束作为光源时，该结构能更好地抑制零级衍射，获得光强分布更加均匀的投影点阵。此外，该结构不仅可省去透镜的安装，减小投影装置尺寸，还可通过流片工艺实现光源和衍射光学元件一体化集成。
衍射光学 片上结构光 瑞利-索末菲衍射积分 衍射光学元件 Gerchberg-Saxton算法 底发射VCSEL diffractive optics on-chip structured light Rayleigh-Sommerfeld diffraction integral diffractive optical element Gerchberg-Saxton algorithm bottom-emitting VCSEL 红外与激光工程
2022, 51(6): 20210640
