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 浙江大学 光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 浙江大学 极端光学技术与仪器全国重点实验室，浙江 杭州 310027
3 先进科技（香港）有限公司，香港特别行政区 999077
为了在设计阶段预测光学系统加工装配后的像质并降低加工装配难度，提升设计效率，文中提供了一个高效的公差灵敏度降低方法。首先使用Zernike多项式量化像差，基于线性代数理论和Monte Carlo分析寻找引入扰动后系统的像差变化规律，通过降维后的像差场以及特征值分布确定主要引入像差；对系统制造过程中可能出现的失对称扰动和轴向扰动进行建模，基于节点像差理论描述扰动造成的引入像差，并通过统计分析确定关键表面；根据Zernike项与波像差的对应关系对像差空间进行变换，提出相应的评价函数纳入优化，进而抑制新像差的产生。将这一方法应用于两个不同的光学系统的设计，优化后预期加工性能（指定空间频率处98%置信度的MTF表现）分别提升了约68%和20%。与使用Zemax软件中TOLR操作数优化相比，结构1的优化时间由7 h缩短到36 min，并且在结构2的优化中成功实现了公差降敏。结果表明，该方法能够在提升效率的同时有效降低公差灵敏度。
光学设计 公差降敏 主成分分析 节点像差理论 optical design tolerance desensitization principal component analysis nodal aberration theory 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230590
为了实现大像面、小投射比、高清画面要求，设计了一款折反式超短焦投影镜头。根据性能指标要求选择了反远距系统，采用缩放法获得初始结构，由出瞳位置不同视场光线与像面的高度关系，计算获得了反射镜坐标数据，拟合得到反射镜面型。采用点列图、场曲/畸变和调制传递函数(ModulationTransferFunction，MTF)曲线对像质进行了评价。最终获得了焦距为 5.45mm，投射比为 0.4的物方远心系统，在投影距离 720mm时可投射 80inch画面，清晰度为 1080p，视场角为 136°，放大倍率约为 125倍，系统点列图均方根(RootMean Square，RMS)半径小于 750μm，畸变小于 0.2%，相对照度在 96%以上，其 MTF曲线幅值在 0.54lp/mm时均大于 0.3。公差分析表明，系统设计合理，成像质量良好。相较于其他折反式超短焦投影镜头，该系统在保证成像质量的同时折射部分未使用非球面，有效降低了加工和装配难度。
超短焦投影 光学设计 折反式成像 非球面反射镜 公差分析 ultrashort focal projection optical design catadioptric imaging aspheric mirror tolerance analysis
1 昆明物理研究所，云南昆明 650223
2 空装成都局驻昆明地区军代表室，云南昆明 650223
红外热成像折转光学系统在复杂环境条件下，光轴容易因为光学元件的偏心或倾斜而发生漂移，影响系统对目标的指示精度。在红外热成像系统设计之初对光学系统开展光轴静态敏感度分析，能够识别出光学系统的敏感点，为满足光轴稳定性的结构优化设计提供约束条件。通过基于旋转矩阵的坐标变换，建立了光学元件旋转过程量和倾斜状态量的转换关系，从而实现了光学元件在任意方向倾斜的空间姿态模拟，确保了光轴敏感度公差分析中的蒙特卡罗采样与结构设计的约束条件相对应，并在此基础上搭建了对红外折转光学系统光轴静态敏感度分析的流程，编制了程序。用所编程序对某典型红外热成像折转光学系统进行实例分析，根据光轴稳定性的指标要求，依次对光学系统中各光学件的偏心量和倾斜量进行了光轴的灵敏度和反灵敏度分析，得出了初始公差限，再针对初始公差限数据进行了任意方向采样的蒙特卡罗分析，最终得出了各光学元件能够满足光轴稳定性指标的偏心和倾斜公差限数据，通过建立多重坐标系的方法验证了所得数据的准确性，为指导光机热优化设计奠定了基础。
红外折转光学系统 光轴漂移 静态敏感度 公差分析 蒙特卡罗采样 infrared folding optical system, optical axis shif
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 国科大杭州高等研究院基础物理与数学科学学院，浙江 杭州 310024
本文研究了引力波望远镜的装调误差对望远镜的TTL（tilt-to-length，角度抖动与光程读出之间的）耦合噪声的影响。保持其他参量不变，仅对引力波望远镜中的某项装调公差进行赋值，仿真分析引力波望远镜中的某项装调公差对出瞳位置变化的影响，进而计算出激光干涉信号经过全玻璃激光干涉仪最终在四象限光电探测器上进行干涉时，由于引力波望远镜的装调公差的存在导致的TTL耦合噪声的变化情况。通过对比发现，引力波望远镜的主镜与次镜的距离公差，对引力波望远镜的TTL耦合噪声的影响大于其他光学元件之间的距离公差对TTL耦合噪声的影响。主镜和次镜之间的距离公差导致的TTL耦合噪声的变化与次镜和三镜之间的距离公差、三镜和四镜之间的距离公差导致的TTL耦合噪声的变化符号相反；光阑和主镜之间的距离装调公差对TTL耦合噪声的变化影响很小，可以忽略不计。各个光学元件的距离装调公差导致的TTL耦合噪声的变化量与抖动角度之间呈抛物线规律分布。在装调空间引力波望远镜时，应着重控制主镜与次镜之间的距离误差。并且可以使用次镜和三镜之间的距离装调误差、三镜和四镜之间的距离装调误差导致的TTL耦合噪声来抵消由装调主镜和次镜之间的距离误差导致的TTL耦合噪声。
仪器，测量与计量 引力波 干涉测量 望远镜 装调公差 光学学报
2023, 43(19): 1912001
福建师范大学 光电与信息工程学院 医学光电科学与技术教育部重点实验室 福建省光子技术重点实验室，福建 福州 350007
日盲紫外光学探测器可以精准的接收到电晕放电产生的紫外辐射。利用Zemax软件设计了一款定焦日盲紫外光学系统，该系统由五片球面透镜构成，工作波段240 ~280 nm，匹配靶面直径18 mm的紫外像增强器，F数为2.5，焦距为50 mm，视场角为20.4°，光学总长为72 mm。调制传递函数在空间频率20 lp/mm处全视场均大于0.8，最大畸变小于0.5％。分析了系统在−20 ~60 ℃的离焦现象，计算了各温度下的热离焦量，采用被动式机械补偿的方法校正了由温度变化产生的热差。最后，通过蒙特卡洛分析模拟，对系统给出了合理的公差分配，分析结果表示系统加工装配后仍具有较好的成像质量。
日盲紫外 光学设计 Zemax 公差分析 solar blind optical design Zemax tolerance analysis
中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
在电子产业、航空航天、医药、汽车、微机电器件等领域，精密微孔是器件、功能部件上的重要结构单元。当前超短脉冲激光精密微孔制备缺乏高稳定、体积小、低成本的旋切加工系统。针对一百到几百微米尺寸的精密微孔加工需求，设计了一种基于扫描振镜的超短脉冲激光旋切制孔光学系统，并对系统的反射像和公差进行了分析。通过采用摄远结构设计和对称设计，大幅缩短了系统镜头总长，设计结果为加工孔径范围100~400 μm，最大加工深径比10∶1。搭建了基于扫描振镜的超短脉冲激光旋切制孔光学系统，对制孔效果进行了实验验证，制孔结果显示，基于扫描振镜的超短脉冲激光旋切制孔光学系统能实现高精度的微孔制备。
超短脉冲激光 旋切制孔 微孔 镜头 摄远结构 公差分析 光学学报
2023, 43(14): 1422003
1 长春理工大学光电工程学院光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
2 成都太科光电技术有限责任公司，四川 成都 610041
利用二阶泰勒形式表示公差与波像差的函数关系，依据差分光线追迹法，通过光线追迹理论推导完善了偏心和倾斜两种公差关于波像差的一阶导数计算公式，利用依次求导和公式移项两种方法建立波像差的二阶导数模型。结果表明：依次求导法的求解过程复杂，应用范围受到限制，只可用于光学后截距分析；公式移项法所需的追迹像质次数少，且拟合效果良好，残差平方和处于10-7~10-6量级；所提方法可对光学系统进行有效的经济公差分配。
光计算 光学加工 经济公差 波像差 光线追迹 仿真分析 光学学报
2023, 43(13): 1320003
1 同济大学先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
2 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所，上海 200092
为解决传统双波段红外成像系统构型复杂的问题，提出了一种将自由曲面棱镜引入双波段成像系统的一体式构型。基于设计中约束追迹光线角度的低灵敏度优化方法，实现了F数为1、焦距为20 mm、视场角为21.8°×16.4°的双波段（3.7~4.8 μm和8.0~12.0 μm）红外光学系统。在20 lp/mm空间频率处，系统中波红外波段和长波红外波段内所有视场的调制传递函数（MTF）分别高于0.79和0.67。经公差分析可知，该自由曲面棱镜的制造可采用单点车削机床实现。同时，完成了长波红外自由曲面棱镜的试制。
光学设计 自由曲面棱镜 红外双波段 公差分析
福建江夏学院电子信息科学学院数字福建物联网智能家居信息采集与处理实验室，福建 福州 350108
太赫兹（THz）波具有较高的透过性和时空分辨率等特性，在空间观测领域具有广阔的应用前景。对比于扫描成像，凝视成像具有成像性能高、速度快、结构简单等优点，而大视场成像是凝视型光学系统所必需的。因此，设计大视场凝视型THz光学系统具有重要的工程应用价值。采用反远距结构，利用Zemax设计了一款相对孔径为1、全视场角为60°的大视场THz光学成像系统。该系统采用4片式反远距共轴结构，由2片球面透镜和2片非球面透镜组成，同时透镜材料采用聚甲基戊烯（TPX）材料，整个系统具有结构紧凑、质量轻等优点。优化结果显示，各视场内的弥散斑均方根半径均小于艾里斑半径，在空间频率为12.5 lp/mm处全视场的调制传递函数（MTF）值高于0.3，表明该系统具有良好的成像质量。此外，公差分析结果表明，该系统具有较好的稳健性，加工工艺水准易于实现，符合设计要求。本设计对于THz空间大视场高分辨探测具有重要参考价值。
成像系统 光学设计 太赫兹 大视场 公差分析 激光与光电子学进展
2023, 60(6): 0611007
