杨通 1,2,*王永东 1,2吕鑫 1,2程德文 1,2王涌天 1,2
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心,北京 100081
光学自由曲面具备较高的设计自由度与像差校正能力;全息光学元件具备特有的波前调控特性、选择性、复用性、轻薄性与易加工性。在成像与显示光学系统设计中,将自由曲面与全息光学元件相融合,可以获得较为优秀的系统指标和系统性能,使系统形态更加紧凑、轻便,且得到离轴非对称的新型系统结构。简要介绍了自由曲面光学与全息光学元件的基本原理、光线追迹特性、应用领域等,阐述了自由曲面光学与全息光学元件的融合设计方法,基于对全息光学元件的分类,总结了融合自由曲面光学与全息光学元件的成像与显示光学系统的设计与应用,讨论了两类元件融合设计的限制因素并对未来的发展趋势进行了展望。
自由曲面光学 全息光学元件 融合设计 成像与显示系统 
光学学报
2024, 44(9): 0900001
程德文 1,2,*倪栋伟 1,2吕鑫 1,2王永东 1,2[ ... ]王涌天 1,2
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心,北京 100081
为扩大体全息光栅波导的出瞳直径和视场,提出了二维扩瞳和视场扩展的两重体全息光栅波导设计方法。该波导结构的出耦合光栅由两个两重体全息光栅构成,用于实现二维扩瞳。将入射视场分为两条路径传播,每条路径负责一半的视场,最后将两部分视场拼接形成完整视场。该方法不仅扩大了出瞳直径,还有利于增大全息波导系统的视场角。介绍了二维扩瞳视场扩展的光学原理和设计方法,最终实现的系统水平视场为48°,垂直视场为27°,出瞳尺寸为16 mm×13 mm。实验结果验证了所提方法的可行性。该方法在扩瞳的同时有助于扩展视场角,为头戴近眼显示设备提供了具有前景的有效方案。
全息 两重体全息光栅波导 二维扩瞳 视场扩展 
光学学报
2024, 44(2): 0222001
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
2 电磁空间安全全国重点实验室,天津 300308
为了提高激光周向探测中出射光场的均匀度,增加其有效作用区域,本文提出了一种采用圆锥型视场的前倾探测方案。基于六象限分区的布局方式,该系统利用非球面透镜对激光二极管的输出光束在子午和弧矢两个方向同时进行准直,通过鲍威尔棱镜实现弧矢方向扩束匀光,采用偏转棱镜保证光束前倾角为60°,并借助弧矢方向上的柱面镜进行完整的圆锥型视场拼接。在不同距离处的模拟仿真结果表明,系统在子午方向上出射视场角为±0.75°,在弧矢方向上可以覆盖360°视场完成周向探测。系统出射光场在四个目标平面上的照度均匀度均大于90%,能量利用率可达98%以上。该系统结构紧凑,整体仅由三片透镜构成,实现了一体化设计,为激光周向探测系统中的光学设计提供了参考。
周向探测 六象限分区 激光 前倾探测 圆锥型视场 
光学学报
2023, 43(23): 2312003
作者单位
摘要
南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室,天津 300350
基于近场探针的太赫兹扫描成像系统能够突破衍射极限探究物质隐藏的细节,但是传统基于微纳加工工艺的近场探针存在工艺复杂、传输损耗较大的缺点。提出了一种基于空心圆波导的渐变开口圆锥形近场探针设计方法,所设计的探针能够通过圆波导实现低损耗传输,同时利用渐变开口圆锥形针尖实现亚波长聚焦。为了验证方法的可行性,采用3D打印技术对所设计的探针进行加工,然后基于高精度三维扫描平台搭建了一套0.1 THz近场扫描成像系统。实验结果表明该探针能够实现亚波长超分辨聚焦,实验结果与仿真结果一致。
光学设计 3D打印 近场探针 太赫兹 超分辨 
中国激光
2023, 50(23): 2314001
Tong Yang 1,2Zhen Guo 1,2Yang Yan 1,2Minjian Wu 1,2[ ... ]Chen Lin 1,2,3,*
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology, and Key Laboratory of HEDP of the Ministry of Education, CAPT, Peking University, Beijing, China
2 Beijing Laser Acceleration Innovation Center, Beijing, China
3 Institute of Guangdong Laser Plasma Technology, Guangzhou, China
The discharged capillary plasma channel has been extensively studied as a high-gradient particle acceleration and transmission medium. A novel measurement method of plasma channel density profiles has been employed, where the role of plasma channels guiding the advantages of lasers has shown strong appeal. Here, we have studied the high-order transverse plasma density profile distribution using a channel-guided laser, and made detailed measurements of its evolution under various parameters. The paraxial wave equation in a plasma channel with high-order density profile components is analyzed, and the approximate propagation process based on the Gaussian profile laser is obtained on this basis, which agrees well with the simulation under phase conditions. In the experiments, by measuring the integrated transverse laser intensities at the outlet of the channels, the radial quartic density profiles of the plasma channels have been obtained. By precisely synchronizing the detection laser pulses and the plasma channels at various moments, the reconstructed density profile shows an evolution from the radial quartic profile to the quasi-parabolic profile, and the high-order component is indicated as an exponential decline tendency over time. Factors affecting the evolution rate were investigated by varying the incentive source and capillary parameters. It can be found that the discharge voltages and currents are positive factors quickening the evolution, while the electron-ion heating, capillary radii and pressures are negative ones. One plausible explanation is that quartic profile contributions may be linked to plasma heating. This work helps one to understand the mechanisms of the formation, the evolutions of the guiding channel electron-density profiles and their dependences on the external controllable parameters. It provides support and reflection for physical research on discharged capillary plasma and optimizing plasma channels in various applications.
channel-guided laser discharge capillary plasma density profile 
High Power Laser Science and Engineering
2023, 11(6): 06000e85
作者单位
摘要
1 北京理工大学 光电学院,北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心,北京 100081
自由曲面为光学系统设计带来了新的设计自由度,可以实现性能与参数更高、结构更紧凑的系统,但自由曲面的加工与检测难度较大,应在设计过程中对工艺性进行实时表征与控制。使用正交多项式面型可以较为容易地实现自由曲面同基底曲面矢高差的控制,但目前常用的大多是在圆域内正交的多项式,对于自由曲面离轴非对称系统中曲面常用的矩形孔径或者方形孔径局限性较大。针对以上问题,提出了采用方域内具有正交特性的二维Chebyshev多项式以及二维Legendre多项式进行自由曲面成像系统设计的方法。提出采用正交多项式孔径边缘积分的约束方法,以及采用控制方域正交多项式系数平方和的方法,配合正交多项式系数的其他线性约束,在不明显降低系统成像质量的情况下,实现高效的自由曲面系统设计以及曲面检测难度的实时表征与控制。通过多个不同结构的自由曲面成像系统设计实例,说明了所提出的设计方法的可行性与效果。所提出的方法为常用的有矩形曲面孔径的自由曲面系统设计提供了新思路,可以有效提升整个自由曲面系统研制过程的效率。
自由曲面 光学设计 方域正交多项式 面形描述 矢高差 freeform surface optical design square-domain orthogonal polynomials surface description sag difference 
红外与激光工程
2023, 52(7): 20230317
Author Affiliations
Abstract
1 Beijing Engineering Research Center of Mixed Reality and Advanced Display, School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
3 e-mail: cdwlxk@bit.edu.cn
Using freeform optical surfaces in lens design can lead to much higher system specifications and performance while significantly reducing volume and weight. However, because of the complexity of freeform surfaces, freeform optical design using traditional methods requires extensive human effort and sufficient design experience, while other design methods have limitations in design efficiency, simplicity, and versatility. Deep learning can solve these issues by summarizing design knowledge and applying it to design tasks with different system and structure parameters. We propose a deep-learning framework for designing freeform imaging systems. We generate the data set automatically using a combined sequential and random system evolution method. We combine supervised learning and unsupervised learning to train the network so that it has good generalization ability for a wide range of system and structure parameter values. The generated network FreeformNet enables fast generation (less than 0.003 s per system) of multiple-solution systems after we input the design requirements, including the system and structure parameters. We can filter and sort solutions based on a given criterion and use them as good starting points for quick final optimization (several seconds for systems with small or moderate field-of-view in general). The proposed framework presents a revolutionary approach to the lens design of freeform or generalized imaging systems, thus significantly reducing the time and effort expended on optical design.
Photonics Research
2023, 11(8): 1408
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
2 上海航天控制技术研究所先进光电中心,上海 201100
为提高导引结构的特征分辨能力和全天候工作能力,提出一种长波红外与激光共孔径的双模导引光学系统设计方案,利用被动红外模块搜索目标,通过主动激光雷达模块锁定目标并精确制导。为解决导引头内光学系统尺寸受限的问题,以Ritchey-Chretien结构为共用部分,通过次镜镀分光膜实现长波红外(8~12 μm)反射光路与激光(1.064 μm)透射光路的组合,并分析了不同光学遮拦情况对非相干成像系统调制传递函数衍射极限的影响。展示了F数为0.98、光学遮拦比为1/3的共孔径双模导引系统的实例,使用多片折射镜片实现对主、次镜残余像差的补偿,利用光学被动式消热差方法完成-40~60 ℃范围的长波红外无热化,具有良好的热稳定性和可加工性,可为双模导引光学系统的分析与设计提供参考。
光学设计 双模导引 长波红外光学系统 激光 共孔径结构 折反式系统 
光学学报
2023, 43(12): 1222001
作者单位
摘要
天津大学 精密仪器与光电子工程学院,光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
机器视觉检测技术具有非接触、高精度的优点,正在逐渐取代人工检测,成为工业生产检测的重要一环,作为前端的光学系统是机器视觉检测技术的核心部分。文中针对半径10 mm以内的光滑球体表面检测设计了一款双远心光学成像系统。系统由7片镜片和1片滤光片组成,采用了2个非球面校正像差,调制传递函数曲线在40 lp·mm?1处大于0.3,具有良好的成像性能。由于该系统光圈较小且待测物为类镜面反射材料,设计完成后进行了照明模拟,选择采用多个面光源对待测物进行照明。模拟结果表明,文中设计的双远心光学系统实现了对较大曲率表面成像,并给出了一种配套的照明方式。
显微光学系统 双远心光学系统 机器视觉检测 光学设计 照明 microscopic optical system bi-telecentric optical system machine vision detection optical design illumination 
应用光学
2023, 44(2): 262
周丽军 1,2杨通 1,2,*高丽娜 1,2程德文 1,2王涌天 1,2
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心,北京 100081
将自由曲面离轴反射系统的曲面加工在同一个基底上实现了多面共体制造,可以有效降低装调难度,进而提升系统的稳定性。提出了一种有柱形轮廓的多面共体自由曲面离轴三反成像系统的设计方法,基于共焦离轴二次曲面实时生成满足离轴共体系统结构和初阶参数要求的初始结构。提出了一种基于曲面采样点位置约束的自由曲面优化方法来控制系统整体外轮廓的形状与大小,使系统的曲面易于实现共体加工。基于光线追迹信息控制系统的焦距,并抑制光线遮拦和光瞳像差。采用Q2D多项式自由曲面进行系统优化,降低曲面检测难度。最终设计了一款高像质、低畸变、易于共体加工的自由曲面离轴三反热成像系统,并根据自由曲面面形特点对该系统进行了公差分析。
光学设计 应用光学 自由曲面 多面共体 离轴三反系统 初始结构 
光学学报
2023, 43(8): 0822021

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