设计了一个可同时在3~5 μm中波红外(MWIR)和8~11 μm长波红外(LWIR)成像的非制冷双波段红外光学系统。该系统由4片透镜组成,有效焦距为21 mm,F数为2.6,其中第4表面为Q-type非球面,透镜材料采用Ge和Ge10As40Se50硫系玻璃,对系统进行优化设计使之达到无热化效果。设计结果显示此系统在-40~60 ℃范围内成像质量良好,调制传递函数接近衍射极限。在设计参数和初始结构相同的情况下,设计了一个包含偶次非球面的光学系统,并对这两种光学系统进行比较分析。结果表明:Q-type非球面在光学系统设计过程中具有较大优势,其校正像差的能力更强,面形与最佳拟合球面的偏离量更小,有利于提高加工精度和效率。

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。

采用具有“负-正”形式的反远距结构作为初始结构, 利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段的电子内窥镜物镜(EEO)光学系统, 其全视场为110°, 焦距为1 mm, F数为3.3, 最大通光孔径为3 mm, 系统总长为7.89 mm。该光学系统由6片透镜组成, 包括两组双胶合透镜和一片两面均为Q-type非球面的镜片。设计结果表明, 在奈奎斯特空间频率143 lp/mm处的调制传递函数(MTF)高于0.4, 接近衍射极限。为验证Q-type非球面在EEO系统设计中的优越性, 在相同计算平台与结构参数下设计了一款包含幂级数(PS)非球面的EEO系统, 对两者进行了分析比较。结果表明, Q-type非球面具有更强的系统像差校正能力, 且有利于提高系统的优化设计效率; 设计得到的Q-type非球面与其最接近球面之间的偏离量非常小, 有利于提高非球面光学元件的加工效率与检测精度, 降低成本; 同时Q-type非球面EEO系统的装配敏感性更低, 有利于提高系统的装配效率。

通过动态链接库方式在Zemax中建立Q-type非球面接口，利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段，垂直半视场为30°～110°，焦距为-1.25 mm，F 数为5，系统总长为28.7 mm 的全景环带光学系统(PAL)。该光学系统由7 片透镜组成，包含6 片球面镜和一片两面均为Q-type 面型的非球面镜片。对设计结果进行了分析，全视场FTheta畸变小于1%，在奈奎斯特空间频率83 lp/mm 处调制传递函数(MTF)高于0.5，成像效果接近衍射极限。为验证Q-type 非球面在PAL 设计中的优越性，实际设计了一个与Q-type 面型PAL 具有相同参数的偶次非球面PAL，对两者进行了分析比较。结果表明，在相同的计算平台下，Q-type 非球面多项式系数的有效数字比对应的偶次非球面的多3~6位，有效减小了优化过程中计算机数字系统截断误差对优化过程的影响，有利于提高光学系统优化设计效率、提高非球面光学零件的加工精度和检测精度。

介绍了Q-type新型非球面多项式算法及其相比于传统非球面多项式在加工、制造方面的优势.引入超短焦全景镜头焦距与分辨率的关系，利用Q-type非球面技术，设计了一款焦距0.657 mm，焦距像高比≤0.184的全景镜头.该镜头由7组8片透镜组成，包含4面非球面透镜.设计结果表明：在空间频率为227 lp/mm处，调制传递函数值大于0.3，接近衍射极限；在垂直半视场角45°~90°的环景边缘区域，图像角分辨率达到了1.163 7 mm/(°)，使得环景展开后有较高分辨率，表明Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中有一定优越性.