阐述了一种基于半球环形全景成像的紫外光学系统, 从大视场的需求角度出发, 设计了半球环形的全景成像光学系统, 该系统可以实现对180°(H)×40°(V)空域实现成像覆盖的需求, 系统适用于紫外成像, 由于紫外波段系统材料较少, 为减小系统像差, 在第一片镜片采用了镀膜折返式方式进行设计, 该设计不但实现了扩大系统视场接收范围的能力, 还具备了镜片数量少的特点。所设计的系统体积小, 覆盖面积广, 成像质量高, 有效的实现了环形大视场范围紫外图像获取。

红外显微热成像系统能够分析微小物体或局部细节的温度变化, 在工业检测、医学诊断和科学实验研究等领域已获得广泛的应用。分析了红外变焦显微光学系统的设计方法, 并基于制冷型红外探测器设计了一款成像倍率为0.5×~2×的光学系统。该系统采用机械补偿变焦方式, 以二次成像构型实现与探测器冷光阑的光瞳匹配, 在8片镜片上设计了2个非球面, 矫正了高级像差, 实现了在全倍率范围内的平滑连续变焦。通过zemax宏程序对变焦过程的分析表明, 该光学系统在整个变焦过程中运动平滑, 成像稳定, 弥散斑变化均较小。

为了预测微透镜阵列玻璃模压成型过程中微结构的加工工艺参数,利用高级非线性有限元软件MSC.Marc进行微透镜阵列的有限元建模;将不同微结构宽度的阵列光学元件进行分组,利用有限元模型分别计算每组硫系阵列光学元件的微结构高度对等效米塞斯应力的影响,得到微结构宽度相同、高度不同的硫系玻璃微透镜阵列结构对模压成型后等效米塞斯应力的影响,对微结构宽度相同、高度不同的阵列光学元件的最大等效米塞斯应力进行数据拟合处理,得出各组等效米塞斯应力的趋势,获得适合模压的硫系玻璃Ge23Se67Sb10阵列光学元件的微结构高度与宽度之比。仿真结果表明:微结构高度越小,等效米塞斯应力越小;硫系玻璃微透镜阵列的等效米塞斯应力由中心到边缘逐渐增大,边缘处的等效米塞斯应力最大;当微结构高度与宽度之比大于0.322时,模压产生的等效米塞斯应力大幅增加。

Q-type非球面广泛应用于光学系统设计中,针对Q-type非球面超精密加工过程中的面形检测问题,提出了一种MATLAB软件与Taylor Horbson PGI-1240非球面轮廓仪相结合的方法,以达到对Q-type非球面进行高精度检测的目的。检测结果表明,由Nanoform 700 Ultra单点金刚石超精密车床加工的全口径为11.8 mm的单晶铜Q-type非球面面形误差峰谷(PV)值为0.1963 μm,表面粗糙度方均根(RMS)值为0.03412 μm,满足加工第一阶段面形误差PV值<0.2 μm和表面粗糙度RMS值<0.04 μm的要求。此检测方法可以精确得到工件面形误差,为下一阶段车削加工提供数据支持。

针对衍射光学元件制造中材料选择的局限以及遮挡效应,采用了紫外光固化有机-无机纳米复合材料快速成型技术制造衍射光学元件,获得高折射率、高色散的衍射光学元件。通过有机-无机纳米复合材料制备实验获得了一种适合制造衍射光学元件的复合材料配方,配方各成分包括质量分数为57.97%的2官脂肪族聚氨酯丙烯酸酯(2PUA)、质量分数为38.64%的季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)、质量分数为1.45%的光引发剂184(Irgacure 184)、质量分数为1.93%的分散剂163(disperbyk 163)和质量分数可控的纳米粒子ITO。使用该方法制备了紫外光固化衍射光学元件,并使用台阶仪测量得到衍射光学元件模芯表面的平均微结构高度为13.26 μm,光固化衍射光学元件表面的平均微结构高度为12.58 μm,使用光固化衍射光学元件与模芯微结构的相对误差为5.141%。紫外光固化有机-无机纳米复合材料的衍射光学元件制造技术突破了材料选择局限,减小了遮挡误差,对宽波段的折衍射混合光学系统的快速成型具有重要意义。