基于折/衍混合原理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,提出了一种基于折/衍混合原理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,讨论了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(587 nm)时的轴向光强分布与原长焦深元件一致,而在波长为λF(486 nm)、λc(656 nm)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,有效地校正了其在可见光波段内的初级色差.     

折-衍混合长焦深光学元件焦深特性分析

为明确长焦深元件的焦深扩展倍数及焦深内轴向光强分布特点与系统结构及参数间的关系,分析了基于能量守恒法获得的对数光锥位相函数的特点,建立了长焦深元件焦深与系统f/#及衍射元件浮雕深度间的函数关系,基于菲涅耳衍射公式分析了不同参数时元件的轴向光强分布规律。仿真结果表明：在给定波长及焦距的条件下,折-衍混合长焦深元件相对同f/#的球面折射透镜的焦深扩展倍数取决于衍射元件的浮雕深度,其值越大,焦深扩展倍数越大,焦深内轴向光强分布越接近平顶分布;焦深一定时,小f/#系统更易获得焦深内轴向光强的平顶分布。     

折/衍混合Petzval光电摄像物镜设计

以传统的5片可见光波段Petzval物镜为基础, 设计了一个折/衍混合的可见光波段Petzval物镜。该物镜的主要光学参数为f'=101.5 mm,F/#＝1.60,HFOV＝6.79°,仅由两种材料、三片元件组成,包含一个二元面和一个非球面,重量只是传统物镜的30%,而且像差特性也有很大改善,系统中心视场的成像质量所对应的空间频率大于20 lp/mm,满足现代摄影和光电摄像的要求。     

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.     

利用衍射光学元件增加出射光束的焦深

在入射光束的孔径受限制的情况下,利用衍射光学元件来增加激光束的焦深。首先确定光阑孔径的大小、然后利用Y-G算法,在已知入射和出射光波函数的条件下,计算出衍射光学元件的位相分布。计算结果表明焦深可以比未用衍射光学元件时增加一半或更多。     

含三次位相元件照相物镜的设计

设计了一个光学/数字成像系统,该成像系统利用三次位相元件辅以数字图像处理技术,在保持系统光通量及分辨率不变的前提下,提高了光学系统焦深。进行了仿真实验,实验以传统的双高斯型照相物镜为光学系统模型,选取焦点及离焦-1.6λ(λ=550 nm)近似-6.4倍焦深两个成像位置。对比分析了传统光学系统及光学/数字系统的焦点位置调制传递函数(MTF)、离焦1.6λ处调制传递函数(MTF)及在瑞利判据±100倍焦深范围内的离焦传递函数。通过光学设计软件CODEV9.7新增图像模拟功能,得到了光学系统的模拟成像结果。利用自编图像处理程序,得到最终的成像结果。结果表明,该光学/数字成像系统确实能够有效扩大光学系统焦深6倍以上。     

利用衍射光学元件增加出射光束的焦深

在入射光束的孔径受限制的情况下,利用衍射光学元件来增加激光束的焦深。首先确定光阑孔径的大小、然后利用Ｙ－Ｇ算法,在已知入射和出射光波函数的条件下,计算出衍射光学元件的位相分布。计算结果表明焦深可以比未用衍射光学元件时增加一半或更多。     

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。     

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。     

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。     

短焦距折衍射变焦成像系统中菲涅耳波带片的设计与分析

在折衍射变焦成像系统中,菲涅耳波带片(FZP)的上下两块电极图形是完全对准的。但是在短焦距折衍射成像系统中,FZP最小环带间距已达到微米级,导致上下两块电极图形中心对准极为困难。为减少对准误差,将上基板电极设计成环状图形,下基板设计为一个平板电极。应用衍射光学方法从理论上对此设计进行了分析,并与上述上下两块电极图形完全对准的设计方式对成像系统的影响进行比较,结果增加了焦点数目。     

折/衍混合消热差共形光学系统设计

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。     

A promising new wavelength region for three-photon fluorescence microscopy of live cells

We report three-photon laser scanning microscopy (3PLSM) using a bi-directional pumped optical parametric oscillator (OPO) with signal wavelength output at λ= 1500 nm. This novel laser was used to overcome the high optical loss in the infrared spectral region observed in laser scanning microscopes and objective lenses that renders them otherwise difficult to use for imaging. To test our system, we performed 3PLSM auto-fluorescence imaging of live plant cells at λ= 1500 nm, specifically Spirogyra, and compared performance with two-photon excitation (2PLSM) imaging using a femtosecond pulsed Ti:Sapphire laser at λ= 780 nm. Analysis of cell viability based on cytoplasmic organelle streaming and structural changes of cells revealed that at similar peak powers, 2PLSM caused gross cell damage after 5 min but 3PLSM showed little or no interference with cell function after 15 min. The λ= 1500 nm OPO is thus shown to be a practical laser source for live cell imaging.     

高分辨率成像二元光学系统的研制与实验结果

已研制成功一个折衍射混合式成像二元光学系统,焦距800mm,有效通光口径76mm,成像光谱范围从435.8nm到656.3nm.成像质量实测结果为20lp/mm时MTF值达到0.75,比同样条件下一个传统的折射式系统MTF所能达到的设计值高百分之三十以上。     

一种新的三焦点DVD光学头单片物镜设计

为了兼容CD、DVD、HD-DVD三种盘片,设计了适用于780nm、650nm和405nm三个波长的二元衍射面和非球面相结合的单片物镜, 三个波长对应的物镜数值孔径分别为0.45、0.60和0.65。二元衍射表面被分割成两个同心环形区域,根据谐衍射原理,每个区域对不同的波长设定不同的衍射级次。介绍三焦点物镜的基本结构和工作原理,详细论述了二元衍射面和非球面的设计理论、结构参数以及光学头物镜的性能评价参数。应用zemax软件进行理论模拟,结果表明所设计的物镜能达到实际应用的技术要求     

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。