折衍射混合成像光学系统设计

讨论了衍射光学元件的特殊成像性质; 提出了带宽积分平均衍射效率的概念和应用; 给出了作者在国内外完成的几个折衍射混合成像光学系统的应用实例, 包括一个用衍射光学元件复消色差的长焦距光学系统, 一个仅由两个镜片构成的CMOS 相机光学系统和一个较复杂的中等焦距、大孔径、大视场照相系统。这些系统突破了传统光学系统在结构、性能、体积和重量方面的限制, 在光学设计理论上具有重要意义, 在工程应用上具有重要价值。还介绍了国外衍射光学制造技术和折衍射混合成像光学系统应用方面的最新进展。     

折衍射混合中波红外连续变焦光学系统设计

设计了一种基于机械补偿式大变倍比折衍射混合中波红外连续变焦光学系统。光学系统的焦距为50mm到600mm,变倍比为12:1。系统的变焦曲线平滑,图像可一直保持清晰,系统的MTF达到了衍射极限。这种折衍射混合连续变焦光学系统具有好的成像质量、灵巧的变倍机构,因此在高性能红外热像仪中得到广泛应用。     

二次成像中波红外折射衍射光学系统设计

中波红外(3～5 μm)在航天遥感中有着重要的应用.由于背景辐射的影响,中波红外光学系统一般要求达到100%冷光阑效率.在航天应用中由于系统轻量化的要求,同时要求光学系统的设计尽可能简化.光学技术的发展,使得光学设计可以利用非球面,二元光学衍射面等,获得更多的自由度,对成像光学系统的像差进行有效的校正.利用三个光学元件,设计出波段范围3～5 μm,口径200 mm,F/2.5的二次成像光学系统.系统由主光学卡塞格林系统加中继系统组成.中继系统由一片硫化锌透镜组成,成像质量达到衍射极限.     

折射/衍射混合长波红外连续变焦光学系统设计

为了提高图像的分辨率,提高红外系统的探测距离和探测精度,满足多种条件下的使用要求,基于最新的非制冷型384288凝视型焦平面阵列探测器,设计了折射/衍射混合长波红外连续变焦光学系统。系统工作波长为8～12 m,F数1.5,变倍比25:1。设计过程中,系统引入衍射面构成折/衍射混合结构,校正色差和高级像差,减少了透镜的使用数量,简化了系统结构。最后利用CODE V 光学设计软件进行了优化设计和像质评价,设计结果表明,系统在探测器的Nyquist频率（20 lp/mm）处,所有变焦距位置和视场的MTF值均大于0.4,接近系统的衍射极限。系统具有变倍比大、分辨率高、像质好、结构简单等特点,可应用于众多光电探测领域。     

薄膜衍射消热差红外光学系统设计

设计了一种薄膜衍射消热差红外光学系统.此光学系统口径为200 mm,焦距为200 mm,相对孔径为1,全视场角为3°,工作波段为10.7～10.9mm.该系统采用薄膜衍射镜作为主镜,厚度为微米量级,具有口径大、重量轻的优点,解决了现有红外光学系统重量和口径无法调和的矛盾.利用含有衍射面的折衍混合透镜进行校正主镜带来的强...     

折/衍混合红外光学系统无热设计

论述了衍射光学元件的环境温度特性实现光学消热差和消色差的原理和设计方法.给出了3～5 μm波段,焦距70.3 mm,F数为2的在-40～60℃温度范围内实现消热差的折衍混合红外光学系统的设计方法和评价结果,同时为了比较设计了一个与折衍混合系统性能参数一样的全折射系统,比较结果发现折衍混合系统比全折射系统具有更优良的光学性能.它能减小色差,成像质量高,体积小、重量轻,并且在要求的温度范围内性能稳定,使得衍射光学元件在光学领域中有更广泛的应用.     

红外双波段谐衍射光学系统设计

为提高红外系统探测能力,满足探测器在红外中长波双波段同时成像的要求,提出一种基于谐衍射的光学系统设计.根据谐衍射透镜的特点,通过合理选择谐衍射波长和衍射级次,采用折射式共光路构型成功完成了中/长波双波段光学系统的设计.系统在3.7～4.8μm和7.7～9.5μm两个波段成像,F数为2,视场角10°.优化结果表明,成像质...     

折衍混合红外双波段变焦光学系统设计

建立了不同类型衍射元件对衍射效率的影响模型,比较了单层衍射元件、谐衍射元件和双层衍射元件之间衍射效率的差异,重点分析在红外双波段光学系统中应用双层衍射元件的突出优势,计算不同材料组合情况下双层元件的平均衍射效率,以此为基础设计一款适合于高空机载平台的折衍混合红外双波段双视场光学系统。大视场对应的地物分辨率为1.5 m@16 km,长焦、短焦分别为960 mm和480 mm,通过切换反射镜改变光路来实现变焦功能,保证变焦过程中系统的光轴稳定性。仿真结果表明在?40~60 ℃的大温差环境下,系统的MTF曲线平滑且接近衍射极限,RMS半径位于艾里斑半径以内,二元衍射面的最小特征尺寸为6.9 μm,设计结果满足工程使用要求。     

基于衍射光学的头盔显示光学系统

基于一个传统五片式Erfle透镜头盔显示光学系统,通过引入一个衍射光学面,设计了一款改进型的三片式头盔显示光学系统。与传统系统相比,改进系统总长缩短了28.6%,总质量减轻了36.1%,实现了整机系统的小型化和轻量化。改进系统出瞳距离为20 mm,出瞳直径为12 mm,轴向球差小于0.06 mm,场曲小于0.5 mm,畸变小于2%,MTF在30 lp/mm处基本都大于0.4,满足头盔显示光学系统的要求,为头盔显示光学系统的轻小型设计提供了一种新途径。     

基于APD阵列的闪光雷达光学系统设计

基于雪崩光电二极管(APD)阵列的闪光雷达是一种非扫描3D成像激光雷达,为实现APD阵列非扫描成像,设计了一套正交光栅衍射分光光学系统。利用伽利略望远镜对532nm脉冲激光进行准直扩束;针对APD阵列的特点,使用二维正交光栅和聚焦透镜对扩束光进行衍射分光,光斑经发射-接收分光镜和发射透镜后照明APD像元的瞬时视场;利用发射-接收分光镜使发射光路与接收光路分开。使用ZEMAX软件对准直扩束和衍射分光部分进行了仿真,并对发射和接收透镜进行了理论分析和计算。设计的光学系统符合32×32像元APD阵列成像的要求。     

折衍混合红外光学系统消热差设计

论述了衍射光学元件的消热差和消色差的温度特性及设计方法,根据折射和衍射光学元件固有特性,设计采用320×256凝视焦平面阵列探测器,工作在中波3~5μm,视场范围为8°×6°的红外系统,该系统使用硅和锗两种红外光学材料。实现了在-40~60℃温度范围内消热差和消色差,像质优良。此系统具有成像质量高、体积小、重量轻、工作温度范围宽的特点,使得折/衍混合光学元件在机载红外成像系统中得到成功应用。     

多相位256×256衍射微透镜的设计及其光学性能研究

介绍了衍射微透镜阵列的设计原理与制作工艺方法 ,在此基础上运用部分刻蚀法研制出适用于 3～ 5 μm波长多相位 2 5 6× 2 5 6衍射微透镜阵列。利用光通信半导体激光器和探测器建立了一套测试系统 ,并对所设计的多相位衍射微透镜阵列的衍射率和点扩散函数进行了测试 ,8相位和 16相位石英衍射微透镜的衍射率分别高达 80 .2 %和 87.5 % ,完全满足实际应用的要求。     

三重共轭消杂散光光学系统的设计方法研究

杂散光抑制能力是光学系统的重要评价指标.红外光学系统不仅受到外部杂散光影响,而且受到仪器内部杂散光影响.传统的"物-像"共轭光学系统的设计方法未能全面考虑杂散光的抑制问题.提出一种三重共轭光学系统的设计方法,该方法设计出的光学系统具有"物-像"、"物-中间像"和"入瞳-出瞳"三重共轭关系,具有同时抑制内部和外部杂散光的能力.基于该方法设计出一种离轴三反射式消像散光学系统,该系统F/#=4、一维线视场7°,离轴5度视场外点源透过率低于5×10~(-4),系统冷屏效率达到96%,并获得良好的在轨图像.     

基于衍/折射光学元件二级光谱的校正

采用衍射和折射光学元件结合的方法，对星载用长焦距望远物镜的二级光谱进行了复消色差设计。计算机模拟结果表明：校正后的望远物镜满足了使用要求，并且设计方法简单可行.     

折衍混合紫外告警光学系统设计

为了满足紫外告警系统在军事方面的应用,采用二元衍射元件和非球面元件,设计了一种日盲紫外告警的光学系统,其工作波长范围为240nm～280nm,视场角为40°,采用“负-正“型式的反摄远镜头结构,仅由5块透镜构成,此镜头结构简单、体积较小、能量集中度高。结果表明,此设计方案能很好地解决紫外镜头轴外像差校正的问题,使点列图能量集中,小于紫外CCD的像素,满足紫外告警设计要求。     

实现光学被动热补偿的非制冷红外双焦光学系统

分析讨论了光学系统热补偿设计的几种方式,并基于衍射光学元件特殊的热差特性,将衍射元件应用于非制冷红外双焦光学系统实现光学被动热补偿。ZEMAX光学设计软件分析结果表明,该系统在规定温度范围内成像良好,温度对双焦光学系统的影响不大。     

折反式周视红外成像系统光学设计

为增大周视成像系统视场的同时有效降低红外光学系统的复杂度,采用折反式光学结构,通过反射镜及透镜光焦度的合理分配,引入衍射面。分别设计了视场为360°×（-40°～50°）的折反式一次成像非制冷红外周视成像光学系统及视场为360°×（-30°～50°）的折反式二次成像光学系统。其工作波段为8～12 μm,光学系统F数为1.2。该系统可实现360°全方位和一定俯仰角度范围内凝视成像。设计结果表明,该系统的结构简单紧凑,后截距大,成像良好,在空间频率20 1p/mm处的调制传递函数(Modulated Transfer Function, MTF)值大于0.4,能满足应用需求。     

定向耦合器热光光开关的设计和特性模拟

对定向耦合器热光光开关的工作原理做了介绍。描述了这种热光光开关的一般设计方法，并且用ＢＰＭ方法（光束传输法）分析了它们的传输特性，提出了几种改善这一光开关波长不敏感特性的方法。     

红外场景产生器折射/衍射准直光学系统设计

在红外成像制导仿真系统中,场景产生器是一个非常关键的部分。利用二元光学技术,设计了一种应用于8~14 μm波段红外场景产生器的准直光学系统,视场角为±4°,光瞳直径为100 mm。借助于二元光学器件的独特性质,系统在仅使用两片锗透镜的情况下得到了接近衍射极限的光学质量。