超大空域凝视光学系统的光阑像差

鱼眼透镜和超广角镜头具有很严重的光阑球差、光阑彗差。本文主题是：如何简捷计算其光阑球差以准确描述轴外物点成像光束的位置和结构以及如何利用光同阑彗差造成有效的像差渐晕以改善像面照度分布；文章提出用截断级数和微分方法解算光阑球差近似值，用诱导迭代方法人为扩大光阑彗差以增强像差渐晕效应，并达到了预期目的。     

离轴反射光学系统像差特性研究

以轴对称光学系统的初级矢量波像差理论为基础,通过引入孔径缩放因子和孔径偏移矢量,获得了离轴反射光学系统初级像差特性。通过分析可知:离轴反射光学系统的初级像差依然由球差、彗差、像散组成。由于孔径缩放因子存在,离轴反射光学系统的波像差系数均有不同比例的减小,且轴对称光学系统的高级孔径像差会在对应离轴光学系统中引入较低阶孔径像差,例如轴对称光学系统未校正球差,对应的离轴光学系统除过球差外还将引入彗差、像散等。相比于轴对称光学系统的像差,由于孔径偏移矢量的引入,离轴反射光学系统的像差不再关于中心视场旋转对称,有可能在轴外视场产生像差零点。     

离轴三反望远镜主镜和三镜面形误差补偿机理

为保证大口径离轴三反消像散(Three-Mirror Anastigmat,TMA)光学系统在轨成像质量,探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理,以矢量像差理论为基础,用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差,并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现,位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散;提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式,以系统出瞳波像差RMS值为评价标准,构建离轴TMA系统像差补偿模型,利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时,所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ;系统三镜存在0.05λ像散与彗差时,可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ,且当三镜面形误差在(-0.03λ,0.03λ)范围内时,可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值,使系统成像质量满足要求,为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。     

全向凝视光电成像系统鱼眼透镜的设计

为了实现光电成像系统对半空域目标的成像、探测和告警,以大视场成像理论和像差理论为基础,采用缩放法对光学系统鱼眼透镜进行了理论分析和仿真设计。利用桶形畸变及光阑彗差来增大像面照度的均匀性,通过光线追迹减小系统轴外像差,对系统成像质量进行多次评价与分析,并推导了透镜成像的畸变校正模型。结果表明,在可见光波段,得到了成像质量良好的鱼眼透镜,CCD有效像面尺寸为8.446mm×7.042mm,有效像素为2448×2050,视场为180°,焦距为2.24mm,相对孔径为1:2.8,像面照度均匀性达到90%以上,点列图弥散斑均方根半径值小于1/2像元,光学传递函数在145lp/mm空间频率处大于0.4。全向凝视光电成像系统可实现半空域目标实时探测。     

基于实际光线追迹的共形光学系统设计

提出了基于实际光线追迹的共形光学系统设计方法,获得了较好的设计结果.共形光学系统具有偏心、倾斜特性,需用两个视场参量来描述--关联视场和瞬时视场.随着关联视场的变化,系统的球差与各类轴外像差呈现出动态变化特性.共形光学系统中,像散和彗差是最重要的两种像差,强烈地影响系统成像质量.与一般的光学系统相比,共形光学系统光学设计难度进一步提高.已发表的有关共形光学系统设计的文章都基于泽尼克多项式像差理论,限制了系统像差的进一步详细分析.为此,通过建立实际光线追迹像差模型有效克服了上述难点.实例结果表明,该方法能有效指导共形光学系统设计.最后在整个关联视场内得到较好的成像质量.     

六极球差矫正系统

从Scherzer1936年提出了关于旋转对称电磁透镜的球差不可能靠其本身场分布的设计而消除的理论以来,电子透镜的球差一直是限制电子显微镜分辨率的根本因素。虽然也有过一些采用非对称电子光学系统或其他方法矫正球差的工作,其中包括Scherzer本人建议的八极球差校正系统,但一直未能在高分辨率电镜上获得应用。近几年来,Crewe及其他一些人又提出了用六极透镜矫正球差的想法。在文献中Crewe证明了单一的六极透镜或两个六极透镜串连使用均不能形成矫正球差的条件。然而如果在两个六极透镜之间,装一弱的旋转对称透镜(图1)则可达到对矫正三级球差的条件。但三级以上像差的影响如何尚不清楚。本文详细推导了图1所示系统的三级像差及为矫正物镜固有三级像差的条件,并在Commodore—64微机上设计了计算该系统三极像差的程序“Sextupole—1”及计算包括三级像差在内直到五级以上像差的程序“Sextupole—2”。“Sextupole”—2程序还可用于同时计算矫正系统的各参数对实际矫正效果的影响。     

星间光通信中球差和彗差对信号光远场特性的影响

星间光通信中,波前畸变是影响信号光远场特性的主要因素。分析了球差和彗差对信号光远场分布、天线接收光功率的影响,引入了畸变衰减因子,给出了畸变衰减因子与波前畸变均方根(RMS)值的关系。理论分析和数值仿真结果表明,球差和彗差畸变越大,对天线接收功率的影响越大。在天线对准的条件下,当彗差和球差畸变均方根值分别约为0.120λ和0.135λ时,天线的接收功率为无畸变时的1/2。彗差对天线接收功率的影响主要是峰值移动造成的,球差对天线接收功率的影响主要是次峰的增强造成的。     

用平凸透镜制作大口径光栅的像差分析

分析使用两个对称的单平凸透镜光路制作光栅并用MATLAB编写光线追迹程序分析了所制作的光栅的衍射波像差的特点,经计算得出在较小焦比D/F情况下其衍射波像差仅与两支光路点光源的调节偏差之差有关与单独的各个偏差无关;初级像差中球差很小几乎可忽略:彗差仅与垂轴调节偏差之差成线性关系;像散仅与轴向调节偏差之差成正比;且当平凸透镜的焦比D/F增大时,各像差项迅速增大.点光源调节偏差一致时的衍射波像差随着系统的焦比D/F增大而迅速增大,并分析了当透镜的焦比D/F一定时,透镜的焦距与所制作的光栅的空间频率对衍射波像差的影响.     

用粒子群算法设计的5镜系统与ZEBASE中5镜系统比较

将粒子群算法用于5片镜光学系统的设计优化中。由球差、像距、畸变、场曲、彗差和光线弥散值构成光学评价函数,用这个评价函数作为粒子群算法的适应度函数,优化设计了一结构简单的5 片镜系统,并把此5 片镜系统与ZEBASE 中5 片镜系统的球差、畸变、子午场曲、弧矢场曲、子午光线弥散值、弧矢光线弥散值、子午彗差、弧矢彗差进行了对比。对比结果显示,用粒子群算法设计的5片镜系统的球差、畸变、子午场曲、弧矢场曲、弧矢光线弥散值较小,ZEBASE 中五片镜系统的子午光线弥散值、子午彗差、弧矢彗差较小。设计实例表明,粒子群算法可以克服现有光学设计软件高度依赖具体初始结构的缺点,可以自由控制结构参数的搜索范围,从而提高光学系统设计的智能化程度。     

球差在平场全息凹面光栅设计中的作用

基于平场全息凹面光栅几何像差理论,分析了初级像差与高阶像差特别是球差对平场全息凹面光栅成像的作用。通过一个具体的设计,分别讨论宽波段光栅和窄波段光栅设计中校正球差与否对设计结果的影响。通过对光谱像大小和各种像差系数大小进行对比分析得出以下结论:宽波段平场全息凹面光栅像差较大,决定光谱像大小的主要是初级像差,球差的影响难以显现,在进行光栅设计时可以不考虑球差;窄波段光栅的离焦像差较小,球差的影响开始变得显著,此时在设计过程中考虑球差的校正能够进一步改善光栅的成像质量。     

基于轴向移动柱面-泽尼克校正元件的动态像差校正技术

椭球形窗口光学系统最显著的特点在于其依赖扫描视场的动态像差变化特性,像散和彗差成为影响光学系统成像质量的主要因素,其中像散的影响最为突出。为解决这一难题,结合柱面透镜和泽尼克位相板的特点,提出了一种新颖的动态像差校正方法,即柱面-泽尼克元件校正方法,此元件的外表面为一对母线互相垂直的圆柱面,对应的两个内表面为泽尼克边缘矢高表面。该方法随扫描视场的变化实时地调整一对柱面-泽尼克校正元件间距以实现椭球形窗口引入像差的动态校正。突破了固定校正元件无法实现超大扫描视场的瓶颈。设计实例中成像光学系统实现了±55°扫描视场,各扫描视场像散和彗差的泽尼克像差系数P-V值校正到了±0.8个波长以内,椭球形窗口光学系统的成像质量得到了明显的提高。     

旋转对称电子光学系统的五级几何像差分析

本文旋转对称电子光学系统五级几何像差按边界条件分成球有效期左、亚像散和场曲、亚彗差、像散和场曲、畸变等六类,并分析各类像差在高斯像平面上的图像。     

边缘驱动双腔可变形透镜的设计及制备

针对基于边缘驱动的可变形透镜无法进行球差像差的问题,该文提出了一种边缘驱动双腔可变形透镜结构。上腔体压电圆环32个致动器,校正除球差外的其余低阶像差,主要包括离焦、像散及慧差的校正。下腔体压电圆环1个致动器,通过与上腔致动器的相互作用,实现球差的校正。搭建了可变形透镜性能测试平台并进行了实验。实验结果表明,该可变形透镜能重构前4阶Zernike像差。     

90°束转动环形非稳腔场畸变数值模拟

给出了非理想ＵＲ９０（Ｕｎｓｔａｂｌｅｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒｗｉｔｈ９０°ｂｅａｍｒｏｔａｔｉｏｎ）环形非稳腔的计算模型，用快速Ｆｏｕｒｉｅｒ变换法计算并分析了球面波象差、象散、青差、腔镜倾斜及增益分布不均匀对光场分布的影响。     

几种失调反射光学系统的波像差特性

为了描述失调状态下反射光学系统在整个像平面中的波像差分布特性,从而对反射光学系统进行有效的装调,对偏心和倾斜影响下的几种反射光学系统的三阶彗差和三阶像散进行了研究。首先,对失调光学系统三阶波像差的矢量形式进行了推导。然后,对失调状态下经典Cassegrain系统、Ritchey-Chrtien系统和三反射镜消像散系统三阶彗差和三阶像散的分布情况进行了分析,并且对两反射和三反射系统的装调进行了简要的讨论。使用Zernike多项式对视场中各个位置的波像差进行拟合,分离出三阶彗差和三阶像散并进行了全视场显示。理论分析与实际拟合结果一致,说明结论是正确的。     

激光轨道角动量态的湍流倾斜、像散和慧差效应

为了分析斜程大气信道中湍流像差对激光束轨道角动量态的作用,数值研究了湍流z-倾斜像差、湍流像散和湍流慧差对激光束轨道角动量态测量概率的影响,得出了此3种湍流像差随折射率结构常数、传输距离和天顶角起伏影响光束轨道角动量态测量概率的规律。结果表明,随着地面湍流强度增强、信道长度增长和天顶角的增大,湍流z-倾斜像差使激光束原轨道角动量态的测得概率进一步降低,湍流慧差仅在天顶角增大时才出现激光束原轨道角动量态的测得概率进一步降低现象,湍流像散对激光束原轨道角动量态测得概率的影响随此3参量变化时基本不变。     

基于梯度下降算法的初级球差校正

固体激光器在实际工作过程中会因腔镜热变形而产生球差效应,使激光的光强分布发生变化、聚焦能力下降、光束质量变差,因此需要校正。基于这一目的,利用梯度下降算法进行了初级球差的校正仿真。首先,建立了初级球差和变形镜模型,变形镜模型针对初级球差选取分立式环形阵列,镜面利用率高。然后,设计出算法的具体实现过程,算法以变形镜单元的位移量为控制对象,以离散化的各部分球差的方差为性能指标。最后,仿真并给出了性能指标与迭代次数的关系、校正后的球差等结果,结果显示达到了预期的校正效果。     

失调卡塞格林光学系统像差特性的研究

以矢量波像差理论为基础,对卡塞格林光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调的卡塞格林系统不会引入新的像差,只是会导致三阶像差在像面上的分布发生变化,球差在全视场内为常量,彗差零点不再位于视场中心,像散在视场内存在两个零点且不再关于中心视场对称。在校正失调产生轴上彗差的情况下,卡塞格林系统的一个像散零点位于轴上视场,轴上视场的像差接近于零,但是边缘视场的像散依然较大,因此在卡塞格林系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差来确定系统的装调状态。利用CODE V 对失调卡塞格林系统的像差在视场上的分布进行仿真,结果表明利用矢量波像差理论可以对失调卡塞格林系统的像差进行定性分析,以提高卡塞格林系统的装调效率。