在太赫兹光谱实验测试中, 为了提高系统信噪比, 被测试的固态样品表面通常为平行且光滑的形态, 然而在安检等实际应用场合中, 自然状态下的物体表面可能会呈现出凹陷、 凸起等特殊形态, 这会对太赫兹光谱产生影响, 这些影响与特殊形态的尺寸有关, 但最容易忽视的是这些影响也与太赫兹波的空间分布有关。 首先, 对凹陷表面样品进行了基于高斯光学的太赫兹波透射过程建模, 研究了表面具有规则圆柱形的凹陷表面形态对太赫兹透射光谱的影响。 通过小孔拟合法对太赫兹光谱系统的高斯光学参数进行了测量, 获得了太赫兹波的束腰半径等参数。 然后, 选用表面被加工成凹陷形态的聚四氟乙烯为实验材料进行太赫兹透射光谱实验, 将太赫兹光谱传递函数幅值的理论模型值和实验值进行对比来验证模型的适用情况, 通过实验证实了在表面有凹陷等缺损情况时将太赫兹波进行高斯光束建模的必要性。 最后, 由模型推论出在与太赫兹波传播方向平行和垂直两个维度方向上, 凹陷深度和凹陷半径对太赫兹透射光谱的定量影响作用: 随着凹陷深度的增加, 光谱传递函数幅值周期越来越小, 两者之间存在单调的定量关系, 且不会受到凹陷半径的影响。 利用凹陷深度对光谱传递函数幅值周期的定量影响关系可以实现对凹陷深度的定量检测, 当可用频谱宽度为1.2 THz时, 凹陷深度的最低检测值为0.53 mm; 随着凹陷半径的增加, 光谱传递函数幅值均值有着先降低后增加的变化趋势, 两者之间不存在单调函数关系且受到凹陷深度的影响。 当凹陷半径大于5 mm时, 光谱传递函数幅值均值不再随半径的增加而增大, 样品表面凹陷对太赫兹波光谱传递函数幅值幅度的影响与凹陷位置也有关系, 这两种现象主要与太赫兹波的高斯分布情况有关。 研究结论可用于太赫兹波在非极性材料表面缺陷的无损检测中, 还可用于设计样品表面形态, 使其具有期望的光谱传递函数。

为了实现非完善成像离轴三反系统的高质量装调,提出了一种置于三反系统焦点前的像差补偿系统的设计方法。基于高斯光学,推导了补偿系统参数与像点空间位置的关系,并根据三级像差理论,设计出补偿系统的初始结构。利用有效口径为400 mm、F数为3.9的离轴三反系统,对所提方法进行了分析,验证了方法的可行性。所提方法有效提高了优化效率,适用于多种类型的反射系统。最终设计结果以相对较小的口径实现了非完善成像离轴三反系统的高质量装调,有效降低了装调成本,提高了装调效率。

针对动车组空间三维坐标的测量需求,设计了三维激光雷达共光路变焦光学系统。系统采用发射/接收共光路的结构形式,以高斯光学为理论基础,对能量传输进行了详细的分析, 得到扩束透镜链的严格限制关系。为简化系统结构, 利用液体透镜代替传统的机械变焦机构, 以几何光学为理论基础, 计算出光学系统初始结构, 并采用Zemax光学设计软件进行仿真, 设计出三维激光雷达发射/接收共光路光学系统。该结构形式不仅提高了系统同轴度、减小外部干扰, 还简化了结构、缩小了仪器体积。采用液体透镜调焦代替机械调焦, 避免了调焦引起的机械振动, 有效提高了激光雷达的定位精度。通过改变液体透镜的光焦度, 实现了在2~30 m测量范围内, 发射光学系统在被测物体表面的光斑半径小于20 μm/m, 接收光学系统超过90%的聚焦能量集中在半径小于1.6 μm的圆内, 满足用户要求。

基于液体透镜的光学变焦系统无需机械运动即可达到变焦的目的,因此近几年来在光学应用中备受关注。在双液体透镜的基础上,设计了一种导电层连通的三液体自变焦补偿透镜,该液体透镜采用圆柱形结构,可通过控制电压来改变透镜中两个液体界面的曲率半径,以达到自变焦补偿功能。对该液体透镜的结构进行了详细分析,并求得该液体透镜的最小化结构表达式。依据高斯理论探讨了透镜相关参数对新型液体透镜变倍比及视场角的影响。

ZEMAX和CODE V等光学设计软件, 虽然有很强的优化功能, 但如果想得到好的设计结果, 初始解的选择至关重要。求初始解的普遍做法是, 将已有的光学系统或其中某一个组元拿来进行缩放。这种办法带有盲目性。另一种方法就是利用高斯光学和三级像差理论求变焦距物镜的初始解。这一方法有助于创新设计, 但却很少被应用。本文介绍了作者在运用这一方法过程中产生的观点、理念、经验和成果。本文通过一个十倍变焦距物镜设计实例, 详细介绍了求初始解的过程, 为了验证该初始解的效果, 还用ZEMAX进行了像差优化。为了增加说服力, 设计过程的每一步, 都给出了具体的数据, 包括经ZEMAX优化得到的最后结果。

为满足空间遥感光学系统结构紧凑、体积小以及高分辨率的需求, 提出了一种长焦距紧凑型光学系统的设计方法。基于高斯光学和初级像差理论, 创建了同轴四反射镜系统的初始结构, 通过视场偏置的方法避免二次遮拦。对设计的大口径超长焦距同轴偏视场四反射光学系统进行优化, 系统口径1 800 mm, 有效焦距25 000 mm, 全视场角1°×0.1°。设计结果表明, 系统设计波像差优于λ/50(λ=632.8 nm), 全视场相对畸变小于0.4%, 光学筒长仅为有效焦距的1/10, 结构简单紧凑, 像质接近衍射极限, 对大口径超长焦距空间遥感光学系统的设计具有一定的借鉴作用。

针对三组式伸缩型结构高倍率变焦距镜头设计进行了研究。对含中间固定组的三组式结构高斯光学进行了讨论, 给出了高倍率设计的高斯解范围和选取原则, 并编制了可视化辅助设计软件, 为高斯参数的最优化选取提供条件。采用这种结构设计了一套焦距12~600 mm、变倍比50倍、视场角0.85°~41.2°的伸缩型变焦距镜头, 短焦时前片至像面175 mm、长焦时为309 mm, 长焦端远摄比达0.51; 各焦距位置在100 lp/mm处轴上视场调制传递函数(MTF)大于0.3, 边缘视场MTF大于0.2, 同时系统具有小型、便携的特点。

基于液体透镜的变焦系统不需要移动光组即能实现变倍的功能, 这种变倍工作方式可应用于具有特定需求的成像系统, 近年来备受关注。探讨了液体透镜参数(变焦范围, 通光口径)对变焦系统变焦性能的影响, 从理论上得到了液体透镜变焦系统最大变倍比以及最大视场角的计算公式。根据理论计算的结构, 求得该结构下液体透镜变焦系统的变焦曲线表达式。从变焦曲线可知, 系统从短焦向长焦方向变化时, 系统变倍比增长速度越快, 系统焦距变化越灵敏。利用上海理工大学研发的液体透镜进行仿真, 设计了一款变倍比为6,全视场角为60°的液体透镜变焦系统高斯结构。该设计不仅验证了理论推导的正确性, 也可作为实际液体透镜变焦系统的初始结构。

针对空间三维坐标的测量需求, 设计了3D激光雷达光学系统。系统采用发射/接收共光路的结构形式, 以高斯光学为理论基础, 采用Zemax光学设计软件进行仿真。该结构形式不仅提高了系统同轴度、减小外部干扰, 而且简化了系统结构、缩小仪器体积。系统采用扩束准直结构, 实现8倍扩束比。通过微小的调焦, 调整发射光学系统的第一片和第二片透镜之间距离在28.203～14.671 mm之间变化时, 实现了2～18 m的测量范围内, 测距精度0.02 mm+10 μm/m。