高倍率及大孔径扩束器的光学系统设计

高倍率及大孔径扩束器要求筒长短、口径大、轴上和轴外的像差都要很好地校正 ,所以光学系统的设计是非常困难的。论述了高倍率及大孔径扩束器的光学系统设计方法 ,给出了物镜通光口径为 2 0 0mm ,焦距为 4 0 0mm ,视场为 2mrad ,放大倍率为 4 5倍的扩束器的光学系统结构参数和像质评价结果     

1.064μm测风激光雷达扩束系统的设计

根据三级像差理论,提出了单片物镜与单片目镜的像差共轭的扩束器设计方法,设计了带有非球面的两片式扩束系统,从设计的结果看出,整个系统的像差被很好地校正.为解决1.064 μm不可见波长扩束系统发散角测试问题,提出了利用线列CCD和示波器结合检验光束发散角的方法,此检验方法简便,容易实现,检测精度高.     

非球面扩束器的设计

本文根据像差理论,叙述了非球面扩束器的设计方法。带有高次曲面的扩束器物镜能对大相对孔径的透镜校正像差.通过具体的实例,阐明了相对孔径加大,物镜的高次项增加,目镜结构复杂化,筒长同时可以大大减小。     

大功率激光扩束器的光学设计

为了使激光扩束器可以长时间的工作于大功率激光照射情况下,在传统多波长激光扩束器的基础上,利用变更材料和结构的方法进行改进,设计了2.3倍和6倍两级扩束的激光扩束器,用光学设计软件分析其像质并进行优化,对像质进行理论分析;加工成型后,置于实际环境中进行实验。经实验验证,在调Q脉冲激光器的峰值功率高达20MW的大功率激光照射下,在系统后1m位置出射光束直径分别为24.5mm和154.8mm,脉冲间隔可以在5s以上,并很好地保持了高斯光束的固有特性。结果表明,扩束器完全达到设计要求,有良好的使用效果。     

多波长透射式扩束器设计

从像差理论出发,通过实例介绍了扩束器的具体设计过程,并给出了物镜通光口径为200mm、焦距400mi、视场为2mrad、放大倍率为40倍和主工作波长为0.6328μm的扩束器结构参量,通过改变目镜与物镜间距还可以对波长0.532μm和1.064μm的激光进行同倍率的扩束,在应用时不必重新设计扩束器或目镜系统即可以对这三种波长进行扩束,使用方便,也节约成本.     

施密特系统探讨与分析

施密特系统历史悠久,过去从三级象差理论得到的校正板方程式,也一直被人们所认同,但是此方程经光学设计软件验证后,发现a≠1/2r02,其中r02为校正板的顶点曲率半径,∑S1≠0,系统的焦距和后截距也有一定的偏差,与三级像差理论不符.经过分析,发现原来从三级像差理论推导出的校正板方程式没有考虑到离焦后焦距的变化.实际上离焦后的焦距为fΔ=f Δ.按三级像差理论重新推导可以得到新的施密特校正板方程式.由光学设计软件验证,得到a=1/2r02,∑S1=0,这与三级像差理论相符合,说明新的施密特校正板方程式是正确的.     

共形光学系统消色差设计

设计了一个红外波段消色差共形光学系统.共形整流罩采用流线型几何外表面,能够有效减少空气阻力,提高导弹飞行性能.但是上述表面破坏了球形整流罩的点对称几何特性,使该系统具有大倾斜、大偏心光学特性,引入依赖于目标视场和瞬时视场的动态像差特性.已报道的文献都是针对单色像差校正问题,而对于大目标视场下单色像差与色差校正难点一直没有相关研究报道.基于实际光线追迹结果、通过衍射元件色散特性和构建适当的光学系统结构,克服了导引头内部有限的空间限制,实现了系统消色差设计.最后设计实例结果表明,系统在整个目标视场范围内均得到较好的成像质量.     

传像光纤束的物镜设计

在大截面传像束前置光学系统设计中,采用“负- 正”型式的像方远心光路结构,在像 差校正过程中引入标准二次曲面和偶次非球面,能很好地解决镜头轴外像差校正与像面照度均匀性问题,同时使镜头结构紧凑、小型化。通过理论计算和ZEMAX光学软件的优化,给出工作波长0. 8～1. 1μm,焦距5mm,相对孔径为1∶3. 8,光学长度为47.5mm,视场角为60°的镜头设计实例。对设计结果的分析表明,该镜头在31 lp /mm空间频率处的MTF值超过0. 78,像质优良。     

宽光谱、长焦距准直物镜光学设计

介绍了大视场、宽光谱、长焦距微光准直物镜的光学设计.重点讨论了宽谱段准直物镜的二级光谱校正及像差平衡问题,并用Zemax软件,进行了光学设计.设计结果:系统的二级光谱为0.1 mm,其他像差也达到了像质要求.     

多程放大系统中透镜倾斜对系统像差的影响分析

为了研究多程放大系统中的透镜倾斜对系统像差影响,采用在商用光学设计软件ZEMAX中建模进行光线追迹结合实验验证的方法,得到了初步分析结果.结果表明,在此类多程放大系统中,对远场能量集中度有较大影响的几种像差主要由透镜离轴倾斜使用造成的,其中离轴四程透镜的影响较大,而且离轴四程透镜的倾斜角度对整个多程系统输出的波前影响并非是线性上升.对校正装置的系统输出波前畸变及今后类似光路的优化设计有一定参考意义.     

像差计算的可视化应用软件开发

为了方便快速地计算像差,采用MATLAB中GUI工具,从球面光路计算的向量公式出发,得到了一计算像差的程序界面,在程序界面输入各个相关参量,点击界面上各种像差菜单就能得到不同视场角在光瞳上不同入射点的各种像差,并可以计算系统的焦距和理想像面的像距以及给出像面的模糊程度(同一物点发出的不同方向光线的聚焦程度的具体数值。结果表明,该软件程序语言简单,程序语句大大减少,占用机时少,运行结果正确。程序通过编译后可以脱离MATLAB运行环境独立运行。     

非傍轴矢量离轴椭圆高斯光束的矩孔衍射

根据矢量瑞利衍射积分公式,对非傍轴矢量离轴椭圆高斯光束的矩孔衍射进行了系统的研究,给出了矩孔衍射的解析表达式,并将非傍轴矢量离轴椭圆高斯光束矩孔衍射轴上、近场、远场和单缝衍射光场分布,非傍轴离轴矢量高斯光束以及非傍轴矢量高斯光束的自由空间传输作为特例统一于一般表达式中,研究表明,在矩孔衍射中,f参数,截断参数以及相对离轴参数共同决定着光束的非傍轴行为.     

光阑约束和离轴失调Lohmann系统的分数傅里叶变换

为了研究受硬边光阑约束及失调Lohmann光学系统对分数傅里叶变换的影响,采用了平顶多高斯光束模型模拟硬边光阑,推导了平面光波在受硬边光阑约束和系统透镜离轴时的Lohmann 型分数傅里叶变换光学系统中传播的解析表达式;计算机模拟了受半径为7.696cm的硬边光阑约束和透镜离轴失调量时的输出.结果表明,在有硬边光阑约束和离轴失调时Lohmann两种结构并不等效.     

大口径宽光谱折射平行光管系统设计

介绍了大口径、宽光谱、折射式平行光管物镜的设计理论。结合项目设计实例：工作波长范围400nm~1100nm,焦距2000mm,相对口径1/10的折射式平行光管系统,论述了光学设计初期玻璃材料选取、初始结构选取与光焦度分配等问题。利用修正的相对部分色散P与阿贝数V建立复消色差方程组求解初始结构,使用Zemax软件优化设计出在全谱段范围内复消色差的平行光管系统。最后,给出Zemax软件分析的像差结果,系统中心视场内的点列图优于5μm ,中心波长波像差优于1/60λ,焦距色偏移量为0.33mm,其余像差均在设计指标之内。     

非同向互作用声光可调谐滤光器的立体角孔径

本文同时考虑了入射光极角方向的发散角⊿θ1和方位角方向的发散角⊿θ;,由此分析了非同向互作用声光可调谐滤光器的立体角孔径,并发现对应于同一超声离轴角θa,当光线入射角θ1取较小值时,立体角孔径近似为双曲线形,并且在四个方向上角孔径变得很大,表现出高度的各向异性。本文还考虑了超声离轴角θa对入射光角孔径的影响,发现当入射光的角孔径满足一定的条件以后,θa的改变对器件性能的影响不大。     

非球面变焦扩束系统的设计

文章讨论了如何将二次旋转非球面透镜引入变焦扩束系统设计中,并给出了一个采用非球面透镜的变焦扩束系统的设计方案和参数。这个扩束系统的扩束比可在2．3－18之间连续改变,最大角差小于03mard。与采用球面透镜的扩束系统相比,非球面透镜的采用不仅可以简化系统的结构,而且可以取得更大的变焦范围,并使输出光束的质量有较大提高。     

非球面反射型扩束器的研究

非球面反射型扩束器由于其独特的优点得到了广泛的应用.本文分析了两种最常用形式的结构和像差特点,提出了一种利用两个不同锥体反射镜的组合实现光束转换的办法,从而消除了系统由于中心遮拦而带来的能量损失.文章还对各种非球面反射型扩束器和折射型扩束器的特点进行了比较.     

方形孔径自由曲面反射式系统装调技术研究

针对方形孔径自由曲面反射系统,构造方形域上正交多项式用于波前解析,得到方形孔径系统波像差系数。在计算机辅助装调阶段,为确保装调结果准确,用方形域上正交多项式和光学设计软件来建立系统的灵敏度矩阵,结合自准直干涉法得到的多个视场得波像差来求解系统失调量;在多次迭代后得到系统平均RMS为0.164 1(632.8 nm)实测系统平均传递函数达到0.453 4的理想结果;证明该装调方法正确性,并适用于其他形状孔径自由曲面离轴反射系统式系统装调。