折/衍混合消热差共形光学系统的设计

为了满足共形整流罩光学系统无热化工作的要求,基于硅、锗和硒化锌3种材料以及制作于整流罩内壁的衍射面设计了采用折/衍混合消热差方法的红外成像共形光学系统。介绍了共形光学系统像差特性以及衍射光学元件的像差、温度及色散特性,提出了利用可消像散的衍射面结构的温度补偿能力来设计共形光学系统消热差结构的方案,并设计了应用于中波红外成像结构中的万向支架式共形光学系统。软件分析结果表明,该系统充分利用了衍射光学元件的位相补偿,热膨胀系数小和色散因子大等特点,在-40～70℃能够较好地保证±20°搜索观察视场中的成像质量,且所有观察视场中的MTF值均大于0.43。     

红外无热化混合光学系统设计

分析了衍射光学元件在红外折/衍混合光学系统中特殊的热差特性,并利用衍射光学元件特殊的消热差和色散特性,设计并制成了3μm~5μm波段上适用于-45℃~60℃的红外无热化混合光学系统,且给出了测试结果。线扩散函数在80%能量内的光斑大小为33μm,接近一个像元的大小。温度测试结果表明,该系统在要求的较宽工作温度范围内性能稳定,像质优良,而且体积小,重量轻,结构简单。     

可见光/中红外双波段位标指示器光学系统设计

针对制导领域目标干扰手段以及隐身水平不断提高的情况,结合可见光和中红外两个波段的特点,把两个波段两种寻的模式的位标指示器复合起来,设计了能够在双波段成像的位标指示器.该位标器采用共形整流罩来改善空气动力学性能,用Wassermann-Wolf非球面和衍射元件来校正整流罩引入的像差.对于红外系统采用光学被动式消热差法,在-40～ +65℃的温度范围进行热补偿.设计结果表明,2个子系统成像质量良好,组合系统体积小、重量轻,可昼夜全天候工作,提高了对目标的捕获、跟踪和识别能力.     

红外3.2～4.5μm波段折射/衍射光学系统的减热差设计

研究了折射/衍射光学元件的温度效应及红外系统的设计理论及具体实例,给出了在红外3.2～4.5μm波段,5°视场范围,冷光栏效率100%,在-40～80℃温度变化范围情况下的红外混合减热差系统的设计结果.结果表明,使用折射/衍射光学系统的减热差设计方案,可令相应的传统光学系统减少一片元件,并且节省了昂贵的硒化锌红外材料.不仅能在较大视场内得到接近衍射极限的成像质量,较宽的温度工作范围,而且结构简单,体积小,重量轻.     

基于谐衍射特性的双波段红外系统消热差设计

从谐衍射元件的理论出发,讨论了谐衍射透镜在消色差和消热差时的特性。利用谐衍射透镜独特的色散和消热差特性,再结合其谐振特性,设计并制成了适用于-30℃~70℃的3μm~5μm和8μm~10μm双波段红外消热差的光学系统。该系统通过采用折反结构,仅需锗作为材料,体积小,重量轻,结构简单。结果表明,该系统能够在两个波段内同时较好地校正系统的色差,在要求的视场内得到接近衍射极限的成像质量,具有良好的消色差和减热差特性。该系统经红外传递函数测试仪测试,得出的实际MTF值也基本接近衍射极限。     

一体式紧凑型折反光学系统设计

提出了一种一体式双反射结构以解决导引头前视红外系统中R-C双反射系统装调困难以及在导弹飞行过程中次镜支架的稳定性问题.该结构将主次镜集成在一个透镜前后表面,通过对透镜前后表面进行加工并涂敷内反射膜来实现双反射镜一体化.如此配置使系统装调只需针对整个透镜,从而降低了装调难度,提高了结构的稳定性.设计了适用于中波红外的紧凑型二次成像光学系统,该系统像质优良,各视场光学传递函数均大于0.6,接近衍射极限,并可利用二元衍射光学元件在-40～60℃实现光学被动消热差.最后进行了公差分析,并针对该光学系统列举了一些抑制杂散辐射的方法,实验显示系统满足实际加工和应用需求.     

超大视场头盔显示光学系统设计

设计了大视场头盔显示器的目视光学系统,用于满足头盔显示器对大视场、小畸变、高分辨率以及轻量化的苛刻要求.采用4×3阵列式排列、视场角为33°×24°的12组高质量成像目镜系统拼接成单眼目视光学系统来实现系统的大视场设计.为了使系统轻量化,每个单元目镜只采用一片透镜;透镜一面采用二元光学衍射面,利用其特殊色散特性校正目镜系统色差;另一面采用非球面,用于校正目镜光学系统的初、高级单色像差.其图像源为高亮度、高分辨率的OLED微显示器.设计结果显示:单目目视光学系统水平视场达到120°,垂直视场为60°,角分辨率为43 pixel/(°);单个目镜系统传递函数在40 lp/mm处,轴上视场高于0.62,全视场高于0.1;系统畸变小于3％;系统的双目视场为160°×60°,双目重叠视场为80°×60°.该设计实现了超大视场,满足头盔显示光学系统的成像要求.     

红外双波段双视场成像告警系统设计

针对复杂环境下远距离点目标弱目标探测的需求,设计了红外双波段双视场成像告警系统。为提高其目标探测能力以及环境适应能力,该系统采用高阶非球面,减少系统镜片数量,提高系统透过率,同时校正轴上、轴外像差及高级像差,提高系统成像质量;采用光学被动消热差方式,实现了光学系统-40~60℃的无热化设计。采用旋转电磁铁为驱动元件,实现了80 ms大/小视场切换速度以确保目标在视场切换过程中不丢失。采用电限位、机械限位以及磁力锁紧机构作为限位组件,实现了大/小视场切换后光轴晃动小于两个像素的稳定精度。设计结果表明,该红外成像告警系统光机结构设计合理、结构紧凑、成像质量好,满足目标探测要求,在红外成像告警领域具有较好的应用前景。     

折/衍混合自由曲面式头戴显示器光学系统设计

为解决传统头戴式显示器大视场、大出瞳距与小型、轻量化之间的矛盾,设计了折/衍混合自由曲面式头戴显示器的光学系统.利用衍射元件的特殊色散特性校正系统色差;选取最佳的自由曲面面型组合校正系统的像散、彗差和畸变;由光学塑料(PMMA)注塑成型的自由曲面棱镜形成离轴结构,使光学系统结构紧凑、便于装调.设计得到的光学系统出瞳距离...     

光学补偿式长波红外变焦系统设计

红外连续变焦光学系统是红外热像仪的重要组成部分.介绍了一个变倍比为5×的长波连续变焦光学系统,该系统采用光学补偿的变焦方式,光学系统的F数为2、冷屏效率100%.对5个视场严格校正了像差,各个视场的MTF曲线均接近衍射极限.采用二次成像方式,使光学系统的通光孔径被约束在Φ128mm以内.该光学系统在整个变焦过程中具有较...     

衍射双波段红外光学系统设计

基于定向光栅能对不同波长的不同级光谱闪耀的原理,从一种比较新颖的角度将衍射光学元件成功地应用于双波段红外光学系统设计,使系统在衍射效率达80%的中波红外波段3.8～4.2μm和长波红外波段8.8～11.5μm同时较好地完成像差校正,会聚到共同的焦点。最后以一个f/2单透镜衍射光学系统进行了验证。设计结果表明,此双波段光学系统结构紧凑、原理简单、不需要额外的机械设备,为双波段成像、探测提供了一条新的思路。     

衍/折射光学系统校正二级光谱的研究

将衍射和折射光学元件结合,对星载用宽光谱(420.0～900.0nm)、长焦距(450mm)望远物镜的二级光谱进行了校正,计算了衍射透镜的结构尺寸和望远镜系统的像差.计算机模拟结果表明:采用衍/折射混合校正后的望远物镜的二级光谱不大于0.08mm,轴上点的位置色差也很小,实现了复消色差,光学传递函数也基本接近衍射极限.所设计的整个系统可以满足实用要求.     

谐衍射/折射太赫兹多波段成像系统的研究

太赫兹波是一种非常有科学价值的电磁波。文中利用谐衍射元件独特的色散性质,将谐衍射透镜应用于14-50µm太赫兹成像系统中,使系统在15.8-16.2µm, 18.5-20µm,23-25µm,30.5-33.5µm和46-50µm五个谐振波段内的轴向像差最大为0.75mm。各谐振波段内的放大率是波长的函数,图像重构时将引起像元的配准误差,利用光学二组元法设计的变焦结构成功地解决了这一问题。设计结果表明：系统像高恒定为6.74mm;变焦结构还具有很好像差补偿作用;在10对线/mm时,光学传递函数在五个谐振波段内均达到衍射极限;实现了轻、小、易加工的设计要求。     

Diffractive elements for imaging optical systems

The problems and prospects of using diffractive elements with a sawtooth relief-phase microstructure in imaging optical systems are analyzed. Particular attention is paid to minimizing the adverse side effect of diffraction orders on the quality of the image formed by an optical system with a diffractive element due to the change-over from single-layer microstructures to structures containing several layers and reliefs. Requirements are formulated for the design parameters of the microstructure and operating conditions of diffractive elements in optical systems that ensure no visible halo caused by adverse diffraction orders. It is shown by a number of examples that the use of a diffractive element in a plastic-lens imaging optical system corrects chromatic aberrations and provides high resolution in the generated image.     

基于折/衍混合的长焦深成像物镜消色差方法

为兼顾成像系统消色差及扩展焦深的特性,提出一种基于折/衍混合的长焦深成像物镜在可见光波段内消色差的方法。通过阐述对数光锥位相结构的特征,讨论长焦深元件的色散特性,并依据折/衍混合消色差原理,确定长焦深成像物镜中折射元件与衍射元件位相函数重新分配的原则;位相重新分配后,衍射元件在承担扩展焦深功能的同时增加了部分消色差光焦度,从而使长焦深元件获得消色差特性。理论和仿真分析表明：位相函数重新分配后得到的长焦深元件在中心波长λd(587nm)时的轴向光强分布与原长焦深元件一致,而在波长为λF(486nm)、λc(656nm)时的轴向光强分布区域重合,即在保留焦深扩展特性的同时有效的校正了其在可见光波段内的初级色差。     

Diffractive elements for a free electron laser

The limits of applicability of geometrical optical methods of calculating diffractive optical elements for terahertz radiation are determined. Use of the method of hot pressing in vacuum chambers to produce polymer transmissive diffractive elements for controlling terahertz radiation is considered. The effect of radiation absorption on the focal spot size and the radiation resistance of the elements are estimated. Experimental study of the optical characteristics of diffraction lenses fabricated in polypropylene revealed 17 percent differences from the diffraction limit.     

Optical design and manufacturing technology for high resolution laser scanning unit

This paper presents optics and fabrication process of key elements in a laser scanning unit for high quality laser beam printers or multi-function printers with over 600dpi optical resolution which today’s commercial system shows. Considering the light sources with different wavelength, optical characteristics in the laser scanning unit which includes a scanning lens and an athermalization element are explained. Also fabrication technologies to realize high resolution laser system such as mold design, core machining and injection molding processes are described. Finally, the hybrid lens as the athermalization element having refractive and diffractive surface is suggested to compensate thermal defocus. The hybrid lens is fabricated and their performance and effect on laser scanning unit are evaluated.     

A novel evaluation and compensation method for ultra-precision machining of hybrid lens

In this study, a diffractive-refractive hybrid objective lens (DHOL) compatible with multi-type optical discs (Blu-ray Disc (BD), China Blue High-Definition Disc (CBHD), DVD and CD) was designed and fabricated. The surface of the DHOL was an aspherical (refractive) substrate superimposed on a diffractive sub-structure, and by using ultra-precision single point diamond turning, the form error was reduced to be less than λ/4. However, because of the finite dimensions of the tool radius (R), the pitch of the diffractive structure must be larger than R. This limits the performance of the DHOL and has a bigger effect on the diffractive performance than on the refractive performance. To counteract the limitation, a novel refractive compensation method is proposed. Through superimposing a small refractive curvature, a significant improvement in the diffractive performance was achieved. By reconstructing the wavefront aberration using Zernike expansion and taking the horizontal rotation angle, tool radius and usable cutting edge into account, an optimal design was determined. The optimal design was fabricated and found to perform satisfactorily.