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
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
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
华侨大学信息科学与工程学院, 福建 泉州 362021
对涡旋光束经过环形孔径之后的衍射特性进行了研究,目的是根据获得的衍射图样 来测定涡旋光束的拓扑电荷数。 从理论和实验上研究了涡旋光束经过环形孔径的衍射情况,得出结果是可以通过实验实现。研究了整数阶 涡旋光束和分数阶涡旋光束的衍射光强图,并讨论了拓扑电荷数的改变对衍射图样的影响,可以较全面地 测定涡旋光束的拓扑电荷数。研究表明,拓扑电荷数与光强分布一一对应,这一现象可以用于测定涡旋光束拓扑电荷数, 即可以根据衍射图样来测定拓扑电荷数。
物理光学 涡旋光束 环形孔径衍射 拓扑电荷数 physical optics vortex beam circular aperture diffraction topological charge
苏州大学 现代光学技术研究所,江苏 苏州 215006
介绍一种可望用于空间相机的环型孔径长焦距光学成像系统,也是稀疏孔径的一种。光线通过最外面的环形孔径进入光学系统,经过一系列的同轴环形反射镜多次折转,最后通过补偿镜成像在光学系统的像面上。此类系统具有较大的遮拦比,可以在有效减少空间望远系统的厚度和体积的同时保持较好的成像质量,可望用于微小卫星高分辨率光学有效载荷。给出了光线经过6次反射的一种长焦距光学系统设计结果,并对其进行了像质评价和公差分析。
光学设计 环形孔径 长焦距 空间相机 非球面
华侨大学电子科学与技术系,福建,泉州,362021
从理论上研究部分相干光被一环形透镜聚焦,在焦点附近的轴上点的光强分布.研究结果表明,当部分相干光被一环形透镜聚焦时,最大聚焦光强不在几何焦点,而是位于透镜与几何焦点之间,出现焦移现象.并且,焦移量不仅依赖于透镜外半径的菲涅耳数,还依赖于部分相干光的空间相干度和中心拦截比.透镜的菲涅耳数越小,焦移越大;部分相干光的空间相干度越低,焦移越大.当菲涅耳数一定时,环形透镜的中心拦截比越大,焦移越大;当空间相干度很小时,情况就变得比较复杂.
部分相干光 环形孔径 中心拦截比 焦移 聚焦 Partially coherent light Annular aperture Central obstruction ratio Focal shift Focus
运用Rayleigh-Sommerfeld衍射积分,详细推导了二元环形孔径全空间在轴光强分布公式.由于未作明显的近似,所得公式对衍射距离大于数倍入射波长的衍射空间都是有效的.计算并分析了这种孔径轴线上的光强分布情况.结果显示,它的最大调制深度是入射光强的16倍,比圆形孔径或环形孔径大4倍,近场的光学层析能力比远场的强.在很近场区,二元环形孔径的在轴光强分布对孔径结构比较敏感,这些特性使这种孔径在光子学和光纤光学的应用方面具有潜在的价值.
二元环形孔径 Rayleigh-Sommerfeld衍射积分 在轴光强 近场 binary annular aperture Rayleigh-Sommerfeld diffraction integral on-axis irradiance near field
