免偏振敏感消色差超构镜设计研究

超构透镜作为一种灵活调控空间光场相位、振幅及偏振的有效选择,在超分显微成像中受到了广泛的关注。为了提高多波长显微成像的分辨率,解决传统光学系统结构厚重、设计复杂等问题,基于相位补偿理论,运用传输相位法以及粒子群优化算法,设计了一种基于二氧化钛纳米单元柱的反射式消色差超构透镜,在500~550 nm之间实现了恒定聚焦,且该透镜具有偏振不敏感的特性。与数值孔径相同但有色散的超构透镜的对比结果有效证实了该超构透镜的消色差功能。所设计的透镜可应用于多波长显微成像系统中并提高成像的分辨率。此外,该消色差透镜在数码相机和光学仪器等领域中也有较好的应用价值。     

宽带消色差平面透镜的设计与参量分析

大尺寸、大数值孔径、宽波段的消色差平面透镜设计是成像技术的一个瓶颈性问题，也是近年来超构透镜研究领域的一个重要挑战，主要原因是透镜的各个参量之间存在内禀的制约关系。文中结合消色差透镜的群时延理论及透镜的相位分布，通过理论分析给出各参量之间的半定量制约关系。同时，分别通过拓扑优化和直接二值搜索的方法，设计了不同参量下的消色差超构透镜和多阶衍射透镜，发现在保持效率80%左右的前提下，透镜尺寸增加了一倍，数值孔径或波段宽度减少了一半，而透镜厚度则随尺寸成线性增长。该结果表明，这两类平面透镜具有相同的內禀参数依赖关系，即透镜尺寸与数值孔径和波段宽度呈现反相关、与透镜厚度呈现正相关的关系，这与理论预测基本一致。     

超表面透镜的宽带消色差成像（特邀）

超透镜是一种由二维亚波长阵列结构表面所设计的透镜,其对光场中振幅、相位和偏振的调控能力较灵活,同时具有低损耗、易集成、超轻薄等优点,近些年引起了科研人员广泛的研究兴趣。然而在大多数情况下,针对特定波长设计的超透镜会遭受较大的色差,从而限制了其在多波长或宽带应用中的成像作用。超透镜因其二维平面结构引入了新的自由度,在对色差的消除上体现了新的潜力。文中报道了多种不同的消色差超透镜设计及其消色差调控机理,并对现有的消色差超透镜从调制波段类型进行了分类,如对离散波长的和对连续波长的消色差超表面透镜,后者又可从工作模式上分类为透射型和反射型,最后介绍了超透镜阵列在成像上的应用以及其在大景深宽带消色差器件上的前景。     

太赫兹大视场宽带消色差超构透镜北大核心CSCD

基于超构透镜的太赫兹成像系统因紧凑的体积受到广泛关注。现有太赫兹超构透镜仅能实现消色差或大视场成像，需要大视场宽带消色差超构透镜来进一步提升太赫兹系统的成像质量。文中介绍了一种工作在0.3～0.5THz，数值孔径0.707，直径10mm，视场100°的太赫兹大视场消色差硅基超构透镜。该超构透镜采用了二次非球面型相位剖面，减小了轴外像差，实现了大视场；选取了相位和色散满足要求的单元进行布阵，消除了色差。因此，它有望被广泛应用在生物检测、太赫兹成像等领域。     

基于激光光束质量测量的超消色差物镜设计

在激光光束质量测量时,为了避免每次测量不同波长激光都要对聚焦透镜的焦平面位置进行标定,降低测量误差,研究和设计了覆盖紫外至近红外波段的超消色差物镜。基于波像差的理论,推导了超消色差物镜初始结构求解的方程组。应用光学设计软件Zemax设计了工作波段为350~1100nm的宽光谱超消色差物镜,焦距为200mm,入瞳直径为25mm。给出了光学系统图、纵向像差曲线、焦移曲线及调制传递函数(MTF)曲线。设计结果表明,采用该方法设计的物镜,在0.707孔径处不同波长光线的球差曲线基本相交于一点,实现了超消色差;工作波段内的焦移仅为26.3μm,基本固定了焦平面的位置;在截止频率范围内的MTF均接近衍射极限,满足了紫外至近红外波段激光光束质量的测量要求。     

光子筛透镜组合的折衍混合消色差系统设计

光子筛作为一种衍射光学元件,具有较大的色散,不适用于宽光谱成像。光子筛的焦距随着入射波长的增大而减小,而正的折射透镜焦距随着入射波长的增大而增大。应用了折衍混合方法进行光子筛消色差的设计。该设计利用二者相反的色散特性,在光子筛的一侧紧密放置一平凸透镜,从而实现光子筛的消色差设计。并针对可见光光谱进行了设计,分析表明该方法能够实现消色差,且具有一定校正二级光谱的能力,消色差波长与中心波长处焦距相对误差为0.33%,成像光谱带宽为20nm。与普通单个光子筛相比,该方法有效拓宽了光子筛的成像光谱范围。与使用波带片的折衍混合系统相比,聚焦光斑更小。     

带衍射光学元件的塑料透镜

以往的成像光学系统是由具有不同分散特性的多个透镜构成,要减少色像差,就必须减少透镜个数、小型化、降低成本。本文主要介绍通过将衍射光学元件和非球面透镜一体化设计、及对衍射光学元件的形状最佳化设计,实现了在可见光范围具有消色差功能、且     

大口径硫系玻璃内部缺陷检测物镜设计及实验验证

大口径硫系玻璃在军事及民用高分辨率红外夜视成像领域有着重要的应用价值。现阶段缺少针对大口径硫系玻璃内部缺陷（包括条纹、杂质和裂纹等）进行量化评价的检测技术,因此硫系玻璃的品质控制成为了限制其大范围发展的瓶颈之一。针对课题组大口径硫系玻璃的透射光谱特性以及现有的近红外照相机的光谱响应特性,提出了一种工作在近红外波段的大口径硫系玻璃内部缺陷检测技术并设计成像镜头,镜头包含了使用K9、F6玻璃的三片双胶合透镜,有效焦距为200 mm,在近红外波段0.95～1.05 m实现消色差,成像质量接近衍射极限。根据镜头特点搭建了大口径硫系玻璃内部缺陷测试装置,实验验证了镜头的分辨率与设计要求相符,并可针对大口径硫系玻璃的各种内部缺陷进行有效检测。     

医用光学变焦消色差内窥物镜设计

医用内窥物镜由于空间狭窄,设计难点在于如何进行局部光学变焦并分辨出局部放大人体组织的成像视图,因此物镜要满足低色差、高可靠性、微型化等需求。从分析内窥镜光学变焦存在的技术路线出发,应用阿尔瓦雷斯透镜在内窥物镜中实现光学变焦,这种结构变焦简单、结构稳定、快速且成像可靠。进一步以高斯括号法和像差理论为出发点,发展了基于阿尔瓦雷斯透镜内窥镜物镜消色差变焦光学设计理论。然后依据该理论,推导得到消色差物镜系统光学设计初始值。最后应用光学色差理论求解验证了理论的正确性,为进一步应用阿尔瓦雷斯透镜设计内窥镜提供了光学设计理论基础。     

宽光谱可见-短波红外成像光学系统设计

针对目前的红外成像光学系统在机器视觉工业检测领域难以同时实现成像质量好和结构紧凑设计的问题,提出了一种宽光谱可见-短波红外成像光学系统的设计方法。运用光学设计软件ZEMAX设计了一种适用于可见光和短波红外的红外成像光学系统。该系统由7组10片透镜组成,利用多组双胶合透镜来消色差,在第15个面使用非球面提高成像质量,最后对系统的成像质量进行研究。设计结果表明：该系统的的工作波长为0.4～1.7μm,全长为79.6 mm,F数为2.8,焦距为25.7 mm,畸变小于1.4%,调制传递函数值在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.4,接近衍射极限,成像质量良好。该系统可以对光滑表面的装配件进行缺陷检测,具有结构简单、易于加工装调的优点,有助于高效地完成机器视觉检测。     

被动毫米波成像系统设计

被动毫米波成像是公共安全检查工作的一个重要发展方向。目前,国内外 主要集中在对纯反射系统的面阵探测领域进行研究,其研发成本较高,而大口径离轴抛物面镜的 加工更是颇具难度。将几何光学和高斯波束相结合,基于毫米波透镜设计和研制了 一种适用于近场被动毫米波成像的准光学系统,其探测距离为1.5 m,成像面积为1.2 m×1.2 m, 空间分辨率优于3 cm。该系统可实现非接触式安全检查,因此在各种公共检查场所具有 广泛的应用前景。     

宽谱段成像光谱仪前置物镜的设计

为满足高光谱成像光谱仪的要求,研究了可见光-短波红外宽谱段的消色差像方远心前置物镜的设计问题。针对0.5～2.5μm谱段、焦距750 mm、F/#为5和视场角±0.8°的设计要求,进行了设计方案分析,提出了R-C折反式光学系统的设计方法;透镜校正组的设计中分析了可见光、短波红外波段的材料特性,并选择了适合该系统的材料F_Silica。最终设计的系统结构简单,很好地校正了色差以及单色像差,还实现了像方远心光路。设计结果满足光谱仪的要求,在整个谱段和全视场范围内,系统成像质量接近衍射极限。     

大视场太赫兹光学成像系统设计

太赫兹（THz）波具有较高的透过性和时空分辨率等特性，在空间观测领域具有广阔的应用前景。对比于扫描成像，凝视成像具有成像性能高、速度快、结构简单等优点，而大视场成像是凝视型光学系统所必需的。因此，设计大视场凝视型THz光学系统具有重要的工程应用价值。采用反远距结构，利用Zemax设计了一款相对孔径为1、全视场角为60°的大视场THz光学成像系统。该系统采用4片式反远距共轴结构，由2片球面透镜和2片非球面透镜组成，同时透镜材料采用聚甲基戊烯（TPX）材料，整个系统具有结构紧凑、质量轻等优点。优化结果显示，各视场内的弥散斑均方根半径均小于艾里斑半径，在空间频率为12.5 lp/mm处全视场的调制传递函数（MTF）值高于0.3，表明该系统具有良好的成像质量。此外，公差分析结果表明，该系统具有较好的稳健性，加工工艺水准易于实现，符合设计要求。本设计对于THz空间大视场高分辨探测具有重要参考价值。     

基于半嵌入结构的超透镜共聚焦特性

设计了一种1∶1比例的半嵌入全介质超透镜，该透镜能够实现不同窄波段的共聚焦特性。采用时域有限差分法对不同高度和晶格常数下纳米单元的相移进行了数值分析。基于惠更斯-菲涅耳原理，构建了1环(半径为7.7μm)和3环(半径为13.5μm)的超透镜，并对比分析了它们的聚焦特性。在3环设计下，当波长为600 nm、线偏振光时，超透镜的焦距离设计目标偏差约为2.2%,焦点半高全宽为1.1μm,聚焦效率达到68.28%。此外，还对650～490 nm波段内的超透镜色散进行了分析，并得到了650～550 nm波段内100 nm带宽和550～490 nm波段内60 nm带宽的恒定共聚焦焦点，这是由于焦深的存在所导致的。所设计的超透镜结构具有偏振不敏感、亚衍射极限聚焦、变焦和窄波段共聚焦的特性，在超分辨率、光路复用、彩色成像等领域具有潜在的应用价值。     

多模光学成像仪

双模成像仪是一种能够探测可见光和红外辐射的仪器。然而,现有的双模成像仪不但成本高,而且复杂、笨重。另外,双模成像仪中常用的折射透镜很难聚焦一幅具有不同电磁波长辐射的图像,尽管双模成像仪具有军用和商业价值,但是它们还没有得到广泛的承认。本发明提供一种能对视场中两个或多个不同波段的电磁辐射进行成像的多模光学成像仪,该成像仪采用一个共用孔径,其前部光学系统用于收集电磁辐射并在孔径上形成一幅图像。然后,该图像被分成可见光和长波红外两个不同波段．其中,可见光波段由CCD列阵探测,长波红外波段由非致玲微测辐射热计列阵探测。其附加光学系统则用于改变放大倍率,提供冷屏蔽、滤光和/或进一步的光谱分离等     

多孔径压缩编码超分辨率大视场成像方法

多孔径成像是一种融合了仿生复眼视觉的新型成像方法,具有小型化、大视场、高分辨率等多种优势,但由于每个子孔径对应的单元图像分辨率过低,导致其成像质量和视场角的提升十分有限。为了进一步提高成像分辨率和探测视场,基于压缩感知理论设计随机编码模板,并紧贴子孔径放置对入射光场进行调制,通过单次曝光记录编码后的低分辨率单元图像阵列,利用稀疏优化算法,重构所有低分辨率单元图像获得超分辨率大视场图像。理论分析和仿真实验证明了该方法的有效性。该方法不仅能兼顾大视场高分辨率成像,而且大大缩小系统等效焦距,具有薄层结构,体积小而重量轻,可为微光机电一体化系统的研制设计提供借鉴。     

折/衍射双波段共光路齐焦光学系统设计

为了提高双波段光学系统成像性能,结合可见光和中波红外的特点,设计了无光路补偿的折/衍射双波段共光路齐焦光学系统。对系统的4片透镜波段间消色差以及焦距补偿表达式进行了推导,采用4片透镜并引入二元衍射面,通过合理匹配光学系统光焦度,实现了系统共用一组光路,在可见光和中波红外两个波段的焦距一致,提高了双波段观测目标信息的一致性。设计的双波段共口径/共光路成像光学系统的工作波长为0.38~0.76 m,3~5 m,系统的焦距为90 mm,视场角为0.5,F数为3,在-40~+60℃的温度范围内采用光学被动式进行消热差设计。设计结果表明:系统结构简单,体积小,成像质量接近衍射极限。     

可见波段超快脉冲激光研究进展

超快脉冲激光因具有超短的响应时间及较高的峰值功率而在激光加工及强场物理学等领域有重要应用。随着蓝光激光二极管及掺杂镨离子激光增益介质的发展,可见波段超快脉冲激光迅速发展,主要综述了可见波段超快脉冲激光的研究进展及现状,详细描述了克尔透镜锁模、高重复频率吉赫兹自锁模及基于可饱和吸收体的锁模等技术在可见光波段的应用,并展望了可见波段超快激光的发展方向及前景。     

单透镜移动的红外双视场光学系统设计

结构简单、视场变化范围大的红外双视场系统在红外领域中的应用越来越广泛.采用折衍混合系统设计了具有大变倍比的红外双视场光学系统.该系统的主要参数为:波段3.7～4.8 μm,变倍比为10:1,F数为4,双视场分别为0.6°×1.7°和5.4°×15.9°,透镜总数为6片.系统的透镜数量少,成像质量高,移动单个透镜实现视场的转换,系统结构简单.     

基于径向梯度折射率透镜的消色差光学系统的设计

提出了一种基于径向梯度折射率(gradient index, GRIN)的消色差透镜,有效抑制了光学系统的色差效应。首先,利用径向GRIN透镜较低的球差和像差以及更优良的聚焦成像、更高的光学耦合效率的优势,实现了径向GRIN透镜的消色差光学系统的设计,消除了高阶像差。其次,通过对ZEMAX操作数POWR和SPHA的控制,分别对光学系统的光焦度和球差进行了优化设计。最后,推导并建立了径向GRIN透镜消色差光学系统的光焦度和色散模型,进行了径向GRIN透镜与常规胶合透镜的消色差效果对比实验。实验结果表明,径向GRIN透镜可以实现在波长范围486—656 nm良好的消色差功能,且消色差效果明显优于常规胶合透镜。径向GRIN透镜的弥散斑在艾里斑内,镜头聚焦情况良好,像差基本矫正且达到衍射极限,符合消色差透镜的良好成像要求。