1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
针对空间相机轻量化、小型化要求，采用一体式环形孔径透镜。由于基底单一和结构紧凑，系统存在色差和球差，引入衍射光学元件和偶次非球面校正像差，而单层衍射光学元件在宽波段存在衍射效率下降等问题，设计了一种端到端式光学-数字联合成像系统，对影响衍射效率主要级次的点扩散函数进行一致性优化，构建出空间不变的点扩散函数模型，为后续图像复原建立复原函数模型，实现退化图像的复原。最终光学-数字联合成像系统工作波段确定为0.45~1 μm，焦距为185 mm，视场为5°，F数为4，遮拦比为0.35，系统总长为67.8 mm。
光学设计 环形孔径 单层衍射光学元件 端到端设计 图像复原 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411006
1 中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047
2 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
为了实现激光/红外双模导引头成像系统的小型化，简化光学系统结构，设计了四次反射的双模共光路环形孔径超薄成像系统，研究了该系统的分光路设计原理，给出了遮拦比与视场角的关系，实现了仅有单一光学元件的长波红外7.7~9.5 μm和激光1.064 μm双模导引头成像系统。双模环形孔径系统在长波红外波段的焦距为70 mm、等效F数为1.3、全视场为8°、空间频率为41.7 lp/mm时各视场MTF值均大于0.136。双模环形孔径系统在激光波长的焦距为53.8 mm、等效F数为1、全视场为10°、全视场范围内的光斑分布均匀。在环境温度范围为−40~80 ℃时，长波红外波段各视场MTF值均大于0.13，激光波长的弥散斑形状和能量分布基本不变，实现了光学被动无热化。通过公差分析可知双模环形孔径系统具备可加工性。
光学设计 双模导引头成像系统 环形孔径 非球面 optical design dual-mode seeker imaging system annular aperture aspheric 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220442
红外与激光工程
2021, 50(3): 20200270
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
为了减小手持双目望远系统的体积与质量,在单片多表面光学系统原理的基础上,建立了单片多表面望远系统的模型,构建了中心厚度与遮拦比的关系表达式,通过计算得到了系统的初始结构,并进一步优化出一款便携多表面反射式望远系统。该望远系统由单片透镜组成,光线在透镜中发生4次反射,各反射面均为偶次非球面。系统的工作波段为可见光,放大倍率为5×,透镜的基底为聚甲基丙烯酸甲酯,直径为15 mm,总长为5 mm,全视场为1.15°。优化后的镜头全视场波像差满足使用要求,光学传递函数(MTF)曲线平滑,在60 lp/mm处大于0.2,成像质量良好。通过将优化系统与传统的伽利略式望远系统进行对比,发现该系统满足市场对于便携式望远系统的需求。
光学设计 小型化 望远系统 环形孔径 折叠光路
1 浙江大学物理学系, 浙江 杭州 310027
2 浙江大学先进技术研究院, 浙江 杭州 310027
研究了硬边环带光阑内外半径和衰减因子对环带光阑圆形艾里光束(CAB)自聚焦特性的影响。结果表明,控制环带光阑内外半径,可以增加CAB第一个自聚焦峰光强且抑制传播后续聚焦峰光强;和无光阑时相比,添加环带硬边光阑有聚焦峰光强在不同的衰减因子下普遍增强的优点。因此,该方法在光操控粒子方面具有潜在的应用。
物理光学 圆形艾里光束 硬边环带光阑 自聚焦特性 激光与光电子学进展
2020, 57(23): 232601
为了突破基底材料的选择局限性，实现成像波段范围内的高质量成像，在环形孔径超薄成像系统引入成像衍射光学元件，设计了以光学塑料聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为基底材料、焦距为35 mm、有效孔径为29 mm的4次反射结构的折衍射混合环形孔径超薄成像系统.该系统倍率色差小于2.2 μm，在空间频率为166 lp/mm时的MTF值大于0.4，实现了高质量成像.对环形孔径成像系统分别进行了公差分析与热分析，结果表明，在空间频率为166 lp/mm时，各视场的子午和弧矢衍射MTF值大于0.2，在温度0℃~40℃时，各视场的子午和弧矢MTF值大于0.28.
环形孔径超薄成像系统 成像衍射光学元件 光学设计 倍率色差 Ultrathin annular aperture imaging system Imaging diffractive optical element Optical design Lateral color aberration 光子学报
2019, 48(12): 1211003
南京邮电大学光电工程学院, 江苏 南京 210003
介绍了一种微光学标签系统，结合理论分析提出用大孔径长焦距的透镜作为接收端可以提升系统的成像性能。利用Zemax光学软件设计出一种大孔径长焦距的6次反射环形孔径超薄透镜，该透镜前表面为平面反射镜，后表面为4个同轴环形非球面反射镜，外直径为28 mm，有效焦距为38 mm，镜头厚度为5 mm。在保证与4次反射透镜通光孔径一致的条件下，通过改进透镜结构增加了反射次数，减小了厚度，扩展了焦距。对基于环形孔径超薄透镜为接收端的微光学标签系统进行了整体优化分析，并给出了模拟成像图的对比，结果发现使用6次反射透镜做接收端可以增加系统的接收距离，减小接收图像的畸变。最后利用同态滤波的处理方法，有效地校正了亮度不均匀的接收图像。
光学设计 微光学标签系统 6次反射环型孔径透镜 亮度不均匀校正 激光与光电子学进展
2017, 54(6): 062201
1 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术重点学科实验室，吉林 长春 130022
基于夫琅禾费衍射理论，通过对衍射积分的核函数进行近似，推导并得出了简洁的经圆环形孔径衍射的高斯光束远场发散角的近似解析式。在不同衍射孔径外径和不同遮拦比的条件下，将该解析式与严格的夫琅禾费衍射积分进行比较，发现二者求出的远场发散角接近一致，最大误差不超过2.7%。与传统数值积分求取光束发散角相比，该近似解析式在避免繁琐的积分运算同时保持了较高的精度。该解析式成立条件为高斯光束的束腰直径大于等于3.5倍中心遮拦直径，且小于等于孔径直径；在实际工程应用中，特别是具有大口径、小遮拦比特点的空间激光通信光学天线这一应用场景，该条件一般能够被满足。
衍射光学 高斯光束 圆环孔径 远场发散角 diffraction optics Gaussian beam annular aperture far-field divergence angle 红外与激光工程
2015, 44(12): 3634
南京邮电大学光电工程学院, 江苏 南京 210003
设计了微光学标签的接收系统，提出采用大孔径长焦距的环型孔径超薄透镜作为系统接收端手机镜头的思路，用Zemax软件设计得到了4次折返环型孔径透镜。透镜前后表面为多个环型非球面反射镜，外直径为28 mm，有效焦距为36 mm，镜头厚度为7.6 mm，在有限的厚度和重量内得到较大的有效焦距和孔径，实现超薄特性。有效增加了系统的接收距离，实现了手机对微光学标签的远距离接收。采用基于OpenCV 计算机视觉库的VC 6.0平台开发了图像畸变校正的程序，对不同接收距离情况下有一定径向畸变的模拟接收图像分别进行修正并准确解码获取所需信息。
光学设计 微光学标签 环型孔径超薄透镜 畸变校正 光学学报
2015, 35(12): 1222001
中国科学技术大学光学与光学工程系， 安徽省光电子科学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230026
一阶径向偏振光偏振态在光束截面呈中心对称分布。通常认为，径向偏振光聚焦时，焦点处光斑直径比空间偏振态均匀分布的光源，如线偏振光的光斑直径小，而且焦点光场具有很强的纵向分量。通过数值计算的方法对径向偏振光和线偏振光的聚焦光斑进行了研究，发现只有满足折射光线与光轴的夹角大于70°时，径向偏振光的聚焦光斑直径才会变得小于线偏振光聚焦光斑沿偏振方向的光斑直径，小于70°则相反。而线偏振光聚焦光斑垂直于偏振方向的直径始终小于径向偏振光聚焦光斑直径。另外，通过在光路中加入光阑的方法，可以进一步减小径向偏振光聚焦光斑的直径，同样的方法只能减小线偏振光聚焦光斑垂直于偏振方向的直径，而沿光偏振方向的光斑直径则不能减小。
物理光学 径向偏振光 聚焦 环形孔径光阑
