可见近红外宽波段复消色差高光谱物镜设计

为满足高光谱成像仪在365~1000 nm波段范围的成像需求,设计了一款中等视场角、大相对孔径的复消色差物镜。从初级色差理论出发,分析了可见近红外波段的玻璃材料的色散特性,为光学设计选择玻璃材料提供了理论依据。设计结果表明:通过对低色散氟冕玻璃的合理使用,物镜在宽波段内的色差得到了良好校正,二级光谱仅为0.014 mm。物镜焦距18 mm,相对孔径1∶2.4,视场角30°,成像质量接近衍射极限,满足高光谱成像仪的设计要求。     

1300nm-1600nm消色差四分之一波片的二元设计

随着激光技术的发展,偏光器件也越来越得到广泛的运用,消色差波片就是其中用的较多的偏光器件之一。目前激光技术中对消色差波片的要求越来越多,为了适应这种要求,进一步提高消色差波片的性能,减少它的误差,以得到更好的应用。本文通过λ/4和λ/2两个复合石英波片的进行组合的方式,基于琼斯矩阵理论,得出组合后的等效相位延迟量及波片方位之间的关系;借助matlab软件进行模拟仿真和分析,最终实现了1300nm至1600nm这个近红外波段的消色差1/4波片的设计。此设计具有精度高,波长范围宽、选材容易及制作较简单等特点,而最大误差只有0.17%,这对光通信应用是一个不错的选择,此分析方法也为制造出其它材料的性能优良的消色差波片提供了较好地理论依据和一定的参考价值。     

基于线性渐变滤光片的宽谱段高光谱相机光学系统设计

宽谱段高光谱相机能够更为全面地记录目标的光谱信息，是目前高光谱相机所追求的主要方向之一。然而，宽谱段势必会带来系统的色差和二级光谱过大的问题，从而对成像质量造成影响。因此，基于Buchdahl矢量色散分析方法，提出了一种基于线性渐变滤光片的宽谱段高光谱相机光学系统。该系统为一款焦距为100 mm、F数为5、视场角为14.2°且光谱范围在400～1000 nm内的像方远心透射式光学系统。基于该系统的高光谱相机可在500 km轨道处获得空间分辨率为21.5 m、光谱分辨率为10 nm、幅宽为125 km的图像。像质评价及公差分析结果表明，系统具有良好的成像质量并能够满足加工和装调的要求。传递函数测试结果表明，系统符合实际应用需求。     

硅基光子集成宽带大色散延时芯片（特邀）

集成、宽带、大色散延时的器件在微波光子滤波、真延时相控阵天线等领域有着重要的应用,可以有效地降低系统尺寸和功耗。文中提出并实现了一种基于硅基光子集成的宽带大色散延时芯片,通过采用超低损耗波导结构和侧壁法向量调制结构实现了片上集成大色散波导光栅,色散值超过250 ps/nm, 最大群延时达到2440 ps,带宽大于9.4 nm,该芯片有望用于微波光子学、高速光纤通信系统等领域。     

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。     

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。     

光纤法布里-珀罗传感器偏振互相关解调系统的复消色差光路设计

光纤法布里-珀罗(F-P)传感器被广泛应用于航空发动机的检测中。偏振互相关解调法是最常用的F-P腔长解调方法。在偏振互相关解调系统中,光学系统的轴向色差会引起零级干涉条纹的偏移和光强的减小,从而降低解调精度并减小信号幅值,因此分析了光学系统的轴向色差对解调的影响。为了减小光学系统的轴向色差对解调的影响,设计了一种应用于偏振互相关解调仪的复消色差光学系统。该光学系统在光楔长度方向上的轴向色差为1.9×10~(-4) m~(-1),最大光程差为0.021λ_0(λ_0为中心波长),光程差远小于F-P腔长。对于特定的解调系统,采用复消色差光路时,零级干涉条纹的测量值偏移量为2.85μm,小于CCD像素宽度的一半,并且CCD任意像素的光照度提高了3.75倍。     

穿透型折/衍混合头盔显示器的光学系统

利用二元光学元件消色差和对波面进行任意整形的独有特点,在光学系统中引入二元衍射面,给出了出瞳距离为21mm,出瞳直径为8nm,视场角为40°(水平)×30°(垂直)的用于增强现实(AR)的折/衍混合穿透型双目头盔显示器的设计结果。结果表明,该系统具有很高的成像质量,分辨率达到0.7mrad,接近人眼的最小分辨率,垂轴色差小于42μm,且最大畸变小于2%。同时,系统直径小于46mm,系统重量约为16.2g。设计结果满足用于AR的双目头盔显示器的要求。     

菱体型消色差延迟器的新设计

为了改善菱体型延迟器件的消色差性能,扩大材料的选择显得非常必要。根据光在介质表面全反射时发生相变这一原理,分析了菱体型消色差延迟器件,得出折射率设计点n与对应的结构角θ两者关系的规律,随着折射率设计点n的增大,虽然dn/dλ增大,但是dδ/dn却迅速减小,因此高折射率的材料可能有更好的消色差性能。结果表明,低折射率的材料熔石英相位延迟在350nm～1240nm的光谱区域内的最大延迟误差小于1.32°,而高折射率的材料LaK2玻璃相位延迟在此区域内的最大延迟误差却小于0.95°。高折射率的材料比低折射率的材料有更好的消色差性能。     

可见-近红外无热化连续变焦光学系统设计

变焦系统中，动组间相对位置的变化会导致各镜组的初级像差特性发生变化，环境温度的变化还会导致各焦距位置热差的改变，给无热化连续变焦系统的设计造成较大困难。针对该问题，从光学系统像差模型出发，将变焦系统像差分为定组像差、动组内像差和动组间像差三类，并结合变焦系统的消色差和消热差模型，讨论了无热化连续变焦光学系统的设计原则，及变焦系统设计中各组元的光焦度分配和材料选用方法，给出了一个宽波段连续变焦光学系统设计实例，该系统F数为5、焦距范围为8~120 mm、焦面对角线长6.2 mm、波长范围为0.48~0.68 μm和0.7~0.9 μm。所述系统仅采用了七种普通光学玻璃材料，透镜总数12组16片，总长仅90 mm，在?40~60 ℃范围内，变焦全程均具有较好的成像质量和公差特性。     

采用衍射主镜的大口径激光雷达接收光学系统

衍射光学系统在大口径激光雷达接收器应用方面很有潜力。分析了衍射主镜引入的负色散对激光雷达成像质量的影响。讨论了插入高色散玻璃和基于Schupmann原理的两种消色差方案的优劣。基于Schupmann原理的消色差系统质量轻、像质好,系统光透过率在60%以上。设计了1 m口径、f/8、最大视场角1 mrad的激光雷达接收光学系统。成像质量接近衍射极限。     

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。     

红外双波段光学系统被动式消热差设计

为提高红外光学系统的目标探测识别能力,增强其温度适应能力,在分析红外材料在中波和长波红外波段的色差与热差特性的基础上,根据系统光焦度分配、双波段轴向消色差和双波段消热差等要求,利用红外色差图合理选择光学材料组合,设计了一款中波和长波红外双波段消热差系统,系统采用非制冷探测器,工作波段为3~5 m和8~12 m,由4片透镜组成,焦距为50 mm,相对空间为1:1.25,全视场角为14,总长67.9 mm。设计结果表明:在温度范围-50~60 ℃范围内,在空间频率为17 lp/mm处,系统在中波和长波波段的MTF值均大于0.4,表明系统有较强的温度适应性。     

光学温度补偿红外长波远摄型物镜设计

环境温度变化导致红外光学系统成像质量变差,利用光学材料热特性之间存在的差异,研究了一种光学温度补偿红外长波远摄型物镜设计方法。首先,根据远摄物镜基本结构及远摄比建立含参方程;其次,结合不同材料组合及消热差和消色差方程将前组复杂化,获得初始的光焦度分配。最后,利用ZEMAX光学设计软件进行优化、像差校正,设计实例焦距为100 mm,F数为2.0,远摄比达到0.8,全视场角6°。设计结果在-40℃~60℃范围内,成像质量稳定,焦距变化量小于系统最小焦深,成像质量接近衍射极限。     

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。     

短波红外超光谱成像仪前置物镜的设计

设计了一个短波红外透射式物镜用于超光谱成像仪.用色散公式计算了短波红外常用材料的阿贝数和部分色散数,并按照二级光谱的定义,计算了一些可用于双胶合的材料对.物镜采用Petzval结构,改进了可见光常用的PW设计方法,用于短波红外物镜设计的材料选择和初始结构计算.Petzval结构的物镜不能消除物镜的场曲,在焦面前加入一片平场透镜,用于扩展该物镜的有效视场.最后利用Zemax对系统的高级像差进行校正,获得像质良好的短波红外超光谱成像仪前置物镜.     

中波红外三视场变焦光学系统设计

三视场变焦光学系统相对于其他形式的变焦系统具有机械结构简单、可靠性高、变焦时间短等优点。采用320240分辨率、像元尺寸30 m30 m制冷型探测器,二次成像方式设计了一种工作于3～5 m中波制冷型三视场红外光学系统,系统视场角1.4～23.8,F数为４,可实现焦距为30mm/100mm/500mm。设计中采用了硅和锗两种材料校正谱段内色差,采用了一个非球面校正系统球差,两个反射镜折转光路的方式实现系统轴向尺寸的缩减,整个系统外形尺寸小于210 mm160 mm120 mm,系统具有外形尺寸小、变焦结构简单、成像质量高等特点,在空间频率17 lp/mm处,系统调制传递函数（MTF）均在0.5以上,能量集中度大于70%。