作者单位
摘要
1 东北大学计算机科学与工程学院,辽宁 沈阳 110819
2 东北大学机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 110819
在离轴多反光学系统的装调过程中,光学对准工作成本高、操作复杂。光学系统的一体化加工制造方法通过在设计过程中加入制造约束避免了离轴多反系统的反复装调。然而,现有自由曲面离轴多反系统的设计方法很少考虑制造约束,设计的光学系统无法满足一体化加工制造的要求。针对这一问题,提出了一种符合制造约束的离轴多反系统自动生成方法。首先,提出了由共圆程度函数和遮拦评估函数构成的制造约束模块,对初始结构的合理性进行判断;其次,通过对离轴多反系统的光路结构进行光线追迹,构建了光学系统初始结构的综合目标搜索函数;然后,以搜索获取的初始结构参数为输入,结合改进的Wassermann-Wolf(W-W)法,提出了制造约束下自由曲面离轴多反系统的设计方法。实验结果表明,所提方法可以在保证较高成像质量的前提下,快速、准确地设计出符合制造约束的自由曲面离轴多反系统。
制造约束 离轴多反 设计起点 自由曲面 manufacturing constraint off-axis reflective design starting point freeform surface 
光学学报
2024, 44(3): 0322003
作者单位
摘要
1 长春理工大学机电工程学院,吉林长春 130012
2 昆明物理研究所,云南昆明 650221
3 云南北方光学科技有限公司,云南昆明 650200
随着科技的进步,尖端产品和先进光电系统对光学系统的成像质量要求越来越高,光学非球面元件能有效地校正像差、减少系统所需光学元件数量、减轻系统重量,因此被广泛应用。其特殊的面形特征决定了它的加工和检测相对于球面更加困难,而检测精度直接决定了加工精度,非球面检测技术的重要性显而易见。根据测量原理对光学非球面的检测技术进行了概述;根据目前直接面形轮廓法在光学非球面的加工中应用最广的情况,结合最新检测手段,重点介绍了非球面直接面形轮廓法测量技术;并介绍了近年来日益受到人们关注的自由曲面及面形轮廓法在自由曲面检测的应用;最后总结了光学非球面检测技术的现状和发展趋势。
非球面 检测精度 直接面形轮廓法 自由曲面 aspherical surface, testing accuracy, direct surfa 
红外技术
2023, 45(5): 534
作者单位
摘要
1 长春理工大学 空间光电技术研究所, 吉林 长春 130022
2 中广核太阳能开发有限公司, 北京 100000
3 厦门理工学院 光电与通信工程学院, 厦门 361024
聚焦型太阳模拟器可以获得高倍汇聚的太阳辐射光斑,在太阳能热发电及热化学研究领域具有重要应用。为了获得均匀的太阳辐射光斑,提出了基于非成像光学的自由曲面聚光镜设计方法。详细阐述了设计原理与具体方法。设计了自由曲面聚光镜,并将其与包容角相同的非共轴椭球聚光镜进行对比。通过仿真分析验证了设计方法的正确性。仿真结果表明:使用额定功率为6 kW的氙灯作为光源时,自由曲面聚光镜构成的单灯太阳模拟器可以在直径为60 mm的目标面内提供平均辐照度为274.4 kW/m2的光斑,与非共轴椭球太阳模拟器相比,光斑不均匀度从18.28%下降到5.69%;七灯太阳模拟器可以产生平均辐照度为1.65 MW/m2的光斑,光斑不均匀度从13.19%下降到5.79%。
太阳模拟器 自由曲面 光学设计 光斑均匀度 能流分布 solar simulator free-form surface optical design spot uniformity heat flux distribution 
中国光学
2023, 16(6): 1356
作者单位
摘要
1 中国科学院 光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 101408
自由曲面具有良好的像差矫正能力,但没有足够的初始结构供设计者参考,因此研究自由曲面初始结构的设计方法是有意义的. 通常初始结构设计方法为大量点和光线的追迹或数值求解微分方程组,运算量大且复杂。文章从光学系统对光波变换的角度出发,推导自由曲面解析表达式,并设计一款工作波段较宽,相对口径较大的离轴红外光学系统,工作波段3~12μm,焦距300mm,F/2.5,视场角2.04°×2.56°,像质接近衍射极限且100%冷光阑效率,全视场波像差RMS值平均为0.059λ@3.67μm.
自由曲面 光学设计 初始结构 波动光学 freeform surface optical design initial structure wave optics 
光学技术
2023, 49(3): 276
作者单位
摘要
中国计量大学光学与电子科技学院,浙江 杭州 310018
提出一种基于双自由曲面的均匀照明设计方法,根据几何光学理论和能量映射关系,设计了距高比为1的双自由曲面透镜。通过将扩展光源和透镜表面离散化,对扩展光源进行反向追迹构建新的双自由曲面。借助光学仿真软件模拟了光学性能,结果表明:在距离光源1000 mm处的目标面实现了半径为1000 mm的均匀圆形照度分布,照度均匀度达92.3%,该方法有效提升了基于扩展光源的目标面的照度均匀性,设计过程无需对自由曲面反馈优化,大大缩短设计时间,过程简易方便。
光学设计 扩展光源 自由曲面 均匀照明 optical design extended light source free-form surface uniform illumination 
激光与光电子学进展
2023, 60(19): 1922001
作者单位
摘要
1 西安工业大学 光电工程学院,西安 710021
2 惠州市华阳多媒体电子有限公司,惠州 516006
基于传统增强现实型平视显示器的设计只能显示单一虚像,并且可能会导致驾驶者在行驶中产生视觉疲劳,从而引发安全事故。本文提出一种采用单一的数字光处理光机(DLP光机)使其分拆出两块图像生成单元的方法。改变光路物距并结合两块自由曲面反射镜,搭建离轴反射式双光路车载平视显示光学系统,最终实现双投影虚像显示。其中采用5.74 inch DLP光机,设置的视野眼盒大小为130 mm×50 mm,远投影视场角10°×3°,近投影视场角4°×1°,虚像投影距离分别为3.8 m和7.5 m。该设计结果不仅能保证近投影虚像面和远投影虚像面同时或者分时显示,也能提高驾驶者的视觉体验感。
平视显示 自由曲面 光学系统 投影距离 双光路 Head-up display Free-form surface Optical system Projection distance Dual optical path 
光子学报
2023, 52(8): 0822001
作者单位
摘要
南京信息工程大学 物理与光电工程学院,江苏 南京 210044
激光光束整形技术在现代激光工业领域具有重要作用,为了克服传统激光光束整形自由曲面构造中存在法向矢量偏差的局限性,文中提出一种正交双向迭代的自由曲面设计方法。该方法基于能量守恒和斯涅尔定律建立光源与目标面的能量映射关系,通过正交方向坐标点迭代获得自由曲面数据点,同时利用相邻坐标点的均值进行曲面法向矢量修正,从而提高自由曲面的构造精度。设计实例表明,准直入射的激光光束经自由曲面整形反射镜,在特定目标区域内可形成高均匀度光斑。进一步从自由曲面的连续性、拟合精度与面形误差三个方面,与传统设计方法进行了详细对比分析。结果表明,所提设计方法得到的激光光束整形自由曲面连续性与平滑度更好,拟合精度更高;且在加工误差允许范围内,目标面的辐照度均匀性更稳定。
激光光束整形 自由曲面设计 正交双向迭代 法矢修正 laser beam shaping freeform surface design iteration in two orthogonal directions normal vector correction 
红外与激光工程
2023, 52(7): 20230299
作者单位
摘要
北京理工大学 光电学院 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心,北京 100081
光束整形技术能够实现激光光束能量分布的良好控制,在激光加工、医疗、激光核聚变等方面具有广泛的应用前景。光束整形方法主要分为几何光学方法和物理光学方法两大类,其中几何光学方法由于忽略了衍射效应,导致一些情形下的光束整形效果不够精细,但却能为物理光学方法提供良好的优化起点。结合几何光学方法和物理光学方法的复合设计方法能够设计出易于加工的自由曲面衍射光学元件,同时能抑制杂散光和散斑噪声。首先回顾了物理光学方法,然后综述了几何光学-物理光学复合设计方法的研究进展,最后对衍射光学元件设计方法的未来发展方向进行了一定的展望。
光束整形 衍射光学元件 复合设计方法 自由曲面 相位恢复 beam shaping diffractive optical element composite design methods freeform surface phase retrieval 
红外与激光工程
2023, 52(7): 20230430
许宁晏 1高志山 1陈露 2黄静 1[ ... ]袁群 1,*
作者单位
摘要
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
2 江苏省计量科学研究院(江苏省能源计量数据中心),江苏 南京 210023
针对长焦镜头小型化、轻量化的设计需求,基于离轴三反结构探索紧凑型长焦光学系统设计方案。利用圆锥曲面焦点共轭的光学特性,通过相邻反射面焦点重合的方式构造可对轴上点完善成像的初始结构,并在此基础上,通过追迹特征光线建立针对离轴三反结构的光线无遮拦判定条件,从小视场出发制定视场扩展与自由曲面面形的优化设计策略。以长焦手机镜头为例,设计了一款F数为5、等效焦距达196 mm、视场范围±3.8°的离轴三反式紧凑型长焦镜头。其尺寸为26 mm×24 mm×10 mm,仅由3个反射面构成,MTF优于0.2@114 lp/mm,畸变低于0.5%,相对照度高于95%,像面无暗角。该系统无遮拦,无色差,且相较于常规潜望式长焦镜头,在小型化、轻量化方面具备明显优势,为紧凑型长焦镜头设计提供了新的解决思路。
光学设计 长焦镜头 自由曲面 离轴三反 optical design telephoto lens freeform surface off-axis three-mirror 
红外与激光工程
2023, 52(7): 20230322
作者单位
摘要
中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西 西安 710119
为满足红外探测系统对大视场、轻量化、低成本的需求,设计并研制了一款用于制冷型红外探测器的自由曲面离轴四反全铝光机系统。光学设计采用具有实出瞳的离轴无遮拦全反射式光路形式,并利用7次XY多项式表征各反射镜面型。在紧凑包络约束下,实现了6.25°×5°的视场角,全视场RMS几何弥散斑半径<6.0 μm。各反射镜和支撑结构材料均选用6061-T651铝合金,各反射镜进行了柔性支撑设计,以降低装调时的刚性连接应力。采用激光干涉仪对光机系统波像差进行了测试,典型视场波像差<RMS 0.7λ@632.8 nm。相比传统的离轴反射系统,文中系统采用“全自由曲面+全铝光机”新构型,能够用更紧凑的包络实现更大视场,且整机具有轻量化、低成本以及无热化的特点,在红外探测领域具有重要应用前景。
红外探测系统 自由曲面 离轴四反 全铝光机 infrared detection system freeform surface off-axis four mirror all-aluminum optomechanics 
红外与激光工程
2023, 52(7): 20230338

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