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 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
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
钱壮 1莫言 2樊润东 1谈昊 2[ ... ]马冬林 1,2,3
作者单位
摘要
1 华中科技大学 光学与电子信息学院 & 武汉光电国家研究中心,湖北 武汉 430074
2 华中科技大学 物理学院,湖北 武汉 430074
3 深圳华中科技大学研究院,广东 深圳 518057
针对超大面阵红外遥感探测的需求,设计了一个基于自由曲面的超大矩形视场制冷型离三反光学系统。系统采用一个偶次非球面反射镜和两个自由曲面反射镜组成二次成像的结构,具有实出瞳并与冷光阑匹配,能够实现100%的冷光阑效率。与其他离轴三反系统相比,该系统最大特点在于其适配了4 k分辨率的大面阵红外探测器,具有视场大、无遮拦、成像质量好等技术特点。系统焦距为150 mm,工作波段为1.5~5 μm,工作F数为5,视场为30°×25°。结构上,主镜采用偶次非球面,次镜和三镜采用XY多项式自由曲面,以校正大视场下的各种像差,系统在各个视场下调制传递函数在25 lp/mm处均大于0.4,满足大面阵红外探测器的成像质量要求。
光学设计 红外光学系统 离轴三反 自由曲面 optical design infrared optical system off-axis three-mirror freeform surface 
红外与激光工程
2023, 52(7): 20230339
解博夫 1张帅 1李浩然 1冯昊 1[ ... ]赵星 1,2
作者单位
摘要
1 南开大学现代光学研究所,天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室,天津 300350
随着应用光学领域的蓬勃发展,对于成像光学系统的像质需求越来越高。自由曲面的多设计自由度使其具有优异的像差补偿能力,常被用于高效像差补偿器件,而设计出具有良好像差补偿效果的自由曲面是提升系统像质的关键。这里基于矢量像差理论,介绍了一种针对成像系统像差补偿的Zernike型自由曲面设计方法。并以望远偏心系统作为实例,利用所提出方法设计了该系统的像差补偿自由曲面,并借助空间光调制器开展实验研究。仿真与实验结果均表明,所提出方法能够得到有效补偿望远偏心系统像差的自由曲面,像差补偿后光斑尺寸降低至补偿前的43.9%,其像差补偿效果优于传统标量像差理论优化法设计结果,该方法在自由曲面成像系统设计方面具有一定的应用研究价值。
应用光学 像差补偿 矢量像差理论 自由曲面 applied optics aberration compensation nodal aberration theory freeform surface 
红外与激光工程
2023, 52(7): 20230343
作者单位
摘要
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 中国科学院大学,北京 100049
离轴三反光学系统基于无孔径遮拦、可实现大视场等优势,结合自由度高、像差校正能力强的光学自由曲面,可以实现优异的光学性能。光学系统成像指标的不断提高促使反射式光学系统的口径和焦距不断增大,光学系统误差敏感度剧增,加工难度和装调敏感度也随之提高,耗费的时间和经济成本巨大。误差敏感度可以表征光学系统在失调后的敏感程度,误差敏感度低的光学系统公差精度要求宽松,在优化过程中控制误差敏感度可以实现像质与成本之间的最佳平衡。因此,降敏优化是光学系统设计过程中不可或缺的一环。文中提出的角度优化降敏设计方法和局部曲率控制降敏设计方法对一个焦距30 000 mm、F数为15、视场角1°×1°的大型自由曲面离轴三反光学系统进行了降敏设计并进行对比,结果表明,在光学系统构型无显著差异的情况下,使用两种降敏设计方法降敏后的光学系统像差校正理论结果均表现优异,调制传递函数(MTF)均接近衍射极限,两种降敏设计方法均可以有效降低光学系统误差敏感度。对比发现,局部曲率控制降敏设计方法降敏效果更好。
光学系统设计 离轴三反光学系统 降敏设计方法 自由曲面 optical system design off-axis three-mirror optical system desensitization design method freeform surface 
红外与激光工程
2023, 52(7): 20230287
作者单位
摘要
1 北京理工大学 光电学院,北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心,北京 100081
自由曲面为光学系统设计带来了新的设计自由度,可以实现性能与参数更高、结构更紧凑的系统,但自由曲面的加工与检测难度较大,应在设计过程中对工艺性进行实时表征与控制。使用正交多项式面型可以较为容易地实现自由曲面同基底曲面矢高差的控制,但目前常用的大多是在圆域内正交的多项式,对于自由曲面离轴非对称系统中曲面常用的矩形孔径或者方形孔径局限性较大。针对以上问题,提出了采用方域内具有正交特性的二维Chebyshev多项式以及二维Legendre多项式进行自由曲面成像系统设计的方法。提出采用正交多项式孔径边缘积分的约束方法,以及采用控制方域正交多项式系数平方和的方法,配合正交多项式系数的其他线性约束,在不明显降低系统成像质量的情况下,实现高效的自由曲面系统设计以及曲面检测难度的实时表征与控制。通过多个不同结构的自由曲面成像系统设计实例,说明了所提出的设计方法的可行性与效果。所提出的方法为常用的有矩形曲面孔径的自由曲面系统设计提供了新思路,可以有效提升整个自由曲面系统研制过程的效率。
自由曲面 光学设计 方域正交多项式 面形描述 矢高差 freeform surface optical design square-domain orthogonal polynomials surface description sag difference 
红外与激光工程
2023, 52(7): 20230317

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