1 莆田学院 机电与信息工程学院, 福建 莆田 351100
2 福建省激光精密加工工程技术研究中心, 福建 莆田 351100
太赫兹波具有高穿透性、低能性及指纹谱性等特征，被广泛应用于探测领域，因此，设计太赫兹波成像光学系统具有重要的意义和广泛的应用前景。首先，以四块透镜构成的天塞物镜为参考结构，应用近轴光学系统像差理论构建系统像差平衡方程，给出了系统初始结构参数求解函数和方法，再结合光学设计软件进一步校正系统像差，最终设计了一种用于太赫兹波探测的大孔径光学成像系统。该光学系统由4块同轴折射透镜构成，焦距为70 mm，F数为1.4，全视场角为8°，在奈奎斯特频率10 lp/mm处全视场角范围内的调制传递函数（MTF）值均大于0.32，各视场内的弥散斑均方根（RMS）半径均小于艾里斑半径。最后对系统各种公差进行分析和讨论。设计结果表明，本文设计的太赫兹波探测光学成像系统具有孔径大、结构简单且紧凑、成像质量较好且加工性易于实现等特点，满足设计要求，它在太赫兹波段高分辨率探测领域具有重要应用价值。
光学系统设计 太赫兹波 大孔径 像差平衡 公差分析 optical system design terahertz wave large aperture aberration balance tolerance analysis
1 莆田学院机电与信息工程学院, 福建 莆田 351100
2 福建省激光精密加工工程技术研究中心, 福建 莆田 351100
反射光学系统具有无色差、结构紧凑、体积小和成像性能优良等特点, 被广泛应用于空间遥感探测领域。首先, 基于同轴四反光学系统像差表达式, 构建了以系统均方根波像差为条件的成像评价目标函数; 进而应用开发的自适应变异概率遗传算法求解该目标函数, 得到一组合适的同轴四反光学系统初始结构参数解; 随后, 在上述系统结构基础上对其进行适当离轴消除系统中心遮拦, 并将四块光学面设定为偶次非球面, 应用光学设计软件 Zemax 对其进行像差优化。最终设计了一款焦距为 800 mm、工作波段为 0.4～1.6 μm、全视场角为 1°、入瞳直径为 80 mm 的成像质量良好的离轴四反光学系统。结果表明, 该方法为设计此类离轴光学系统提供了一种有效手段, 具有很强的实际应用价值。
几何光学 离轴四反 初始结构 改进遗传算法 双波段 geometrical optics off-axis four-mirror reflective initial structure improved genetic algorithm dual-band
1 厦门理工学院光电与通信工程学院，福建 厦门 361024
2 莆田学院机电工程学院，福建 莆田 351100
为了使变焦光学系统能够实现超大视场以及大孔径高分辨率成像，提出一种能够有效指导此类系统的设计方法。通过分析变焦光学系统的原理以及比较其变焦补偿方式，确定采用全动型补偿方式来实现整个系统的变焦。根据初级像差的理论并结合ZEMAX软件得到系统较合适的初始结构参数，对其进行优化设计可以得到一款由14片折射透镜组成的大孔径以及超大视场变焦系统，该系统的工作波段为400~700 nm，焦距范围为6.54~17.00 mm，变倍比为2.6，全视场角范围为60°~178°，F数为2.8，调制传递函数值在奈奎斯特频率55.6 lp/mm处均大于0.40，说明系统的成像质量较好且满足设计要求。
几何光学 变焦系统 大孔径 超大视场 光学设计 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0708001
1 厦门理工学院光电与通信工程学院,福建 厦门 361024
2 莆田学院机电工程学院,福建 莆田 351100
以双反射镜系统为基础,在其前后均增加一组折射光学元件来校正和平衡系统像差,设计了一款仅由2片反射镜和4片透镜组成的大相对孔径、长焦距且总长较短的折反射式望远物镜。该物镜系统的工作波段为400~700 nm,焦距为900 mm,入瞳直径为500 mm,遮拦比为0.43,系统总长为495 mm,全视场角范围内的调制传递函数值在截止频率为107.5 lp/mm处均大于0.5。最后对系统进行了公差分析。结果表明,设计的望远物镜系统具有结构简单、成像分辨率高且公差大等特点。
几何光学 望远物镜 大相对孔径 长焦距 折反射物镜 光学设计 激光与光电子学进展
2021, 58(1): 0108002
1 莆田学院机电工程学院，福建莆田 351100
2 厦门理工学院光电与通信工程学院，厦门 361024
与传统折射光学系统相比，离轴反射光学系统具有小体积、轻量化和无色差等特点，因此被广泛应用于望远镜系统和空间观测系统等领域。随着目前自由曲面的广泛应用，首先分析了离轴三反光学系统的初始结构参数确定方法，然后在系统的主反射镜设计中引入 Zernike边缘矢高形式的自由曲面，最终设计了一款有效焦距为 700 mm，视场角为 10°，F/#为 4.5，系统总长为 597.58 mm的离轴三反光学系统。该系统在 71.4 lp/mm处各视场的调制传递函数（MTF）值均大于 0.28，畸变均小于 0.1%，结果表明，该系统在有效视场内成像质量较好。该系统的设计方法对类似的离轴三反光学系统设计具有一定的参考价值。
离轴三反光学系统 光学设计 大视场 自由曲面 Zernike多项式 off-axis three-mirror reflective optical system optical design large field of view free-form sur. face Zernike polynomial
1 莆田学院机电工程学院, 福建 莆田 351100
2 现代精密测量与激光无损检测福建省高校重点实验室, 福建 莆田 351100
3 厦门理工学院光电与通信工程学院, 福建 厦门 361024
4 南通职业大学机械工程学院, 江苏 南通 226007
随着微创手术的蓬勃发展, 使得内窥镜受到越来越多的关注; 然而为了能够清楚地观察、诊断和治疗腹腔内的病变组织, 在医用内窥镜中需要高分辨率的光学成像系统。对此, 文中在选取合适的初始结构基础上, 结合系统中选取合适的光学面作为非球面, 并运用光学设计软件Zemax对其进行像差分析及优化设计。最终设计出了一款工作波段在600 ~800 nm, 相对孔径为F/2.0, 全视场角为150°, 焦距为0.136 mm, 系统总长为5.247 mm的光学成像系统, 成像质量较好, 系统在150 lp/mm处各视场传递函数值均大于0.55, 各视场角的场曲均小于16 μm以及相对照度均大于0.99。该光学成像系统能满足医用内窥镜所需要的设计要求, 具有一定的实际应用价值。
医用内窥镜 光学成像系统 高分辨率 优化设计 medical endoscope optical imaging system high-resolution optimization design Zemax Zemax
