1 长春理工大学 光电工程学院,吉林 长春 130022
2 63856部队,吉林 白城 137001
基于Buchdahl模型的色散向量分析法可以用于指导光学设计中的材料选择与替换,得到消色差效果良好的材料组合,但是目前该理论由于数学形式的限制,只应用于有焦系统设计中,并没有用于指导无焦系统设计的先例。针对此问题进一步探究该理论在无焦系统下的应用,提出适用于无焦系统的色散向量比例因子的变形表达,以该方法对一个七倍望远无焦系统进行材料的选取,优化后的系统在0.707孔径处最大色差值仅为2.705×10−5D (屈光度),632.8 nm和1 064 nm两波长的焦移差为0.000 21 D,波段范围内最大焦移也仅为0.004 7 D,系统色差得到有效校正,各视场MTF完全达到衍射极限。研究成果使基于Buchdahl模型的色散向量分析法可以同样应用于无焦系统设计中,为无焦系统消色差材料组合的选择提供了一种新思路。
无焦系统 Buchdahl模型 色散向量 unfocused system Buchdahl model dispersion vector 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220374
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
离轴反射无焦光学系统在空间望远镜中具有重要的应用,自由曲面能够校正离轴反射系统中的非对称像差。设计自由曲面离轴反射无焦系统的初始结构非常关键。提出了正交种子曲线扩展算法(OSCE),可直接设计自由曲面离轴反射无焦系统的初始结构。为了验证方法可行性,分别设计了放大倍率为10和20的离轴无焦三反和四反系统。设计结果表明离轴三反系统初始结构均方根(RMS)波前差为0.36 λ,离轴四反系统初始结构波前差为0.18 λ。对这两个初始结构分别进行优化,优化之后的RMS波前差小于0.02 λ。
光学设计 离轴反射无焦系统 正交种子曲线扩展 自由曲面 波前差
1 中国科学院光束控制重点实验室,四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所,四川 成都 610209
3 中国科学院大学,北京 100049
为了提高空间激光通信系统的工作范围,简化光学系统的结构,提出了基于离轴自由曲面的大视场两镜无焦光学天线的设计形式。该光学天线采用无焦结构,无需再使用准直透镜元件,可以极大地简化系统结构,克服了传统聚焦光学天线体积过大、大功率光源情况下焦点处功率密度过高等问题。首先,基于三级像差理论,推导了两镜无焦系统的消像差公式,并对求解结果进行了分析总结。然后,根据求解结果和实际需求设计了一款无焦光学天线,该系统的有效通光口径为100 mm,放大倍率为5倍,波段为500~1 100 nm,全视场角为0.6°,主镜为凹抛物面的一部分,次镜采用XY多项式表征的自由曲面,并用MATLAB 对次镜自由曲面面形进行了仿真。结果表明,光学系统全视场的波像差优于λ/14(λ=500 nm),斯托列尔比大于0.8,系统能量集中度较高,像质接近衍射极限,光学视场相对于传统二次曲面系统增加了26.7%。因此,该种天线结构在激光通信领域具有较强的实用性和很好的发展前景。
光学天线设计 大视场 自由曲面 离轴两镜无焦系统 optical antenna design large field of view freeform surface off-axis two-mirror afocal system
1 福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室, 福建 福州 350007
2 福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室, 福建 福州 350007
设计了一款可同时提取人体指纹及静脉图像的红外与可见光共焦光学系统。该系统由10片球面透镜组成, 系统焦距为10 mm, 视场角为34°, F数为2.4。为减小仪器体积, 系统的共轭距控制在120 mm以内。利用ZEMAX软件对系统进行了优化, 结果表明, 不同波长的光线严格成像于同一像面; 在系统要求的空间频率164 lp/mm处, 调制传递函数值大于0.4; 所有视场弥散斑的大小均小于成像器件的最小像元尺寸, 畸变小于1%。系统公差分析表明, 该设计符合生产制造要求。
光学设计 多模识别 共焦系统 公差分析 激光与光电子学进展
2018, 55(9): 092201
长沙理工大学 物理与电子科学学院, 长沙 410114
为了研究频带宽度对激光光束传输和激光应用产生的影响, 采用衍射积分推导了矩形谱宽带激光通过双焦色散透镜后的传输公式, 利用数值计算研究了矩形谱宽带激光带宽诱导的焦开关现象, 分析得到带宽对光强分布和焦开关的影响。结果表明, 带宽是影响光强分布和焦开关形成的重要因素; 带宽变化会导致光强分布中光强主极大从一个位置跃变到另一个位置, 从而形成焦开关现象。该研究结果有助于进一步推动宽频带激光的应用。
激光光学 焦开关 双焦系统 带宽 laser optics focal switch dual-focus system bandwidth
为提高多通道红外成像仪的空间分辨率, 同时确保系统结构紧凑, 具有良好的轴对称性, 设计了应用于像方扫描主系统的主镜轴对称的五反无焦系统。论述了基于初级像差理论的五反无焦系统设计方法, 由各镜面之间的放大率和遮拦比求解出了结构参数, 利用初级像差系数求解出了反射面二次曲面参数, 并且编制了初始结构计算程序。设计了一个入瞳直径1 m、视场5°×0.1°、工作谱段8~10 μm、口径压缩倍率10×的五反无焦系统。设计结果表明: 光学系统最大波前差RMS值优于0.065λ(λ=9 μm), 最大光程差优于λ/4(λ=8~10 μm), 各视场的MTF曲线接近衍射限。该设计方法可广泛应用于高分辨率多通道成像仪的光学系统设计。
光学设计 无焦系统 五反射镜 红外成像 optical design afocal system five-mirror system infrared imaging 红外与激光工程
2016, 45(5): 0518001
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 北京理工大学 光电学院, 北京 100081
曲率半径是球面光学元件中的重要参数之一,曲率半径的高精度测量已经成为光学元件使用与加工中的一个关键问题。提出了基于差动共焦法的曲率半径测量方法,研制了1套激光差动共焦曲率半径测量系统,并对2组曲率半径测量结果进行不确定度评定。结果表明,2组曲率半径的测量值均与标称值吻合,其相对误差为0001 15%,两组测量数据的标准不确定度均优于3211 11×10-4 mm。
曲率半径 差动共焦系统 测量不确定度 评定 radius of curvature fifferential confocal system measurement uncertainty evaluation
1 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨 150001
2 北京理工大学光电学院,北京 100081
分析了共焦显微系统(CMS)离焦状态工作时分辨特性的变化,指出了离焦状态是导致CMS横向分辨特性变差的主要影响因素之一。提出并采用了位相型超分辨光瞳滤波技术来改善CMS工作在离焦状态下的横向分辨特性,分析了超分辨光瞳滤波器位置变化对CMS横向分辨特性的影响。理论分析和实验验证表明,位相型超分辨光瞳滤波技术的引入,显著抑制了CMS工作在离焦状态时艾里斑旁瓣的增长,克服了CMS因工作在离焦状态而引起的横向分辨特性下降的缺点。
光学测量 共焦系统 位相型光瞳 离焦特性 表面轮廓 超分辨滤波 optical measurement confocal microscopy system phase-only pupil defocused property surface profile superresolution filtering