亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪光学设计

狭缝式成像光谱仪是太阳极紫外光谱成像探测的重要工具之一,然而目前国内尚无该类载荷,导致太阳物理学和空间天气学等学科在极紫外光谱诊断研究方面主要依赖国外仪器数据,严重制约了相关学科的发展.国外已发射的成像光谱仪仅具有2"量级的空间分辨率,很难观测到日冕加热模型预测的等离子体核心特征.为了更好地理解太阳不同层次大气之间的耦合过程,需要更宽光谱覆盖的太阳观测数据.鉴于此,本文提出并设计了一款亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪,相比现有仪器,系统能够实现更高空间和光谱分辨率、更宽光谱范围覆盖的观测.性能评价结果表明,系统在62—80 nm,92—110 nm波段内的像元空间分辨率均优于0.4",光谱分辨率均优于0.007 nm,光谱成像质量接近衍射极限,对我国未来首台空间太阳极紫外成像光谱仪的研制具有重要参考价值.

海水环境光场水下辐照度测量光学设计

为了实现海洋环境光场水下辐照度测量光学设计,根据海洋辐射传输理论,对海洋环境下行辐照度、上行辐照度进行估算,完成海洋环境光场辐照度测量模块光学设计,并对其测量能力、姿态误差校正能力进行仿真分析,分析了探测器光敏面面积和透射窗口相对探测器的张角对测量能力的影响、横摇测量误差和纵倾测量误差对姿态测量误差影响,并得到横摇误差可采用动态水平法利用数据处理手段消除,纵倾测量误差可用对称排布的双辐照度探头测量模式消除的结论。海洋环境光场水下辐照度测量的光学设计,为水下实现目标环境光学特性测量奠定了技术支撑。

OBE教育理念在光学设计与CAD课程中的实践与探索

光学设计与CAD是光电信息科学与工程专业中具有较强应用性和实践性的特色课程,学生要能将掌握的理论知识运用到工程实践的应用中。为了培养学生的创新意识和工程实践能力,达成应用型人才培养的目标,团队在教学中引入了OBE教育理念,对课程目标、评价体系、教学方法进行了改革探索,充分调动了学生的学习积极性和能动性,促使教师不断加强自身学习,实现了教学相长,相得益彰。

王之江的光学设计之路

王之江,因在中国第一台红宝石激光器研制中的贡献非常突出而广为人知,然而他在中国应用光学学科建立中的卓越贡献却鲜有人知晓。实际上,中国第一本《光学设计理论基础》是由他在实践基础上编写的。关于王之江从事应用光学的经历及所做出的科学贡献,目前在舒美冬主编的《王之江科研生涯》一书中有简要阐述[1],学界仍对其缺乏较为全面的了解.

光子多普勒测速仪多目标点探头光学设计

为了提升光子多普勒测速仪(Photon Doppler Velocimetry, PDV)对目标进行多点数的区域覆盖式或阵列式速度测量时的测量点数量,使用Zemax软件设计了像面直径10 mm的双远心光学系统,实现同时对平面靶5.6 mm范围内进行多点测速。该镜头由4片单透镜和4片双胶合透镜组成,工作波长为1 550 nm,工作物距为300 mm,系统总长250 mm,有效焦距500 mm,远心度小于0.01°,均方根半径在聚焦位置处最小为0.055μm,最大为0.920μm。均方根半径及全部弥散斑半径均在艾里斑范围内,调制传递函数曲线与衍射极限重合,线条平整,系统达到衍射极限。同时畸变小于0.025%,像差校正满足设计要求。

LED光学设计的现状与展望

近年来,在各种新兴应用领域不断涌现的带动下,LED市场规模得到了快速地提升,应用于LED产品不同阶段的光学设计也显得尤为重要。本文分别对LED的一次光学设计、二次光学设计和后续光学设计进行了探讨。主要阐述了分立封装和集成封装的一次光学设计;二次光学设计方法中常用的反射、折射、反射折射相混合的模式以及二次光学设计的流程;简要地描述了后续光学设计。最后展望了不同阶段光学设计的发展趋势。

基于PSIM机载大视场宽谱段偏振光谱成像系统光学设计

为满足偏振光谱成像探测中对于大视场、宽谱段技术要求,设计了一种基于偏振强度调制技术(PSIM)的宽谱段大视场偏振光谱成像仪。针对前置望远镜组,文中对现有国内玻璃材料消色差分析,优选了可见至短波红外的复消色差玻璃,通过控制镜组中PSIM模块光线角度,实现大视场内在PSIM模块上的入射角度需求。结合分析结果,采用光学设计软件优化设计。设计结果表明,前置望远系统能够实现波段为400~1 700 nm,视场角为72°,焦距为20 mm, F数为4的高质量成像,全谱段内探测器截止频率处传递函数优于0.4, PSIM模块上最大入射角度为±4.99°,有效保证了各视场内偏振调制的一致性。后置光谱分光系统采用基于Offner结构的凸面光栅,优化结果显示各波段点列图均小于一个像元,在探测器奈奎斯特频率处中心波长的MTF达到0.6,各项指标均满足设计要求。本文对于基于PSIM宽谱段偏振光谱成像仪器的工程化具有很重要的现实意义,对宽谱段光学系统消色差设计也具有一定指导意义。

基于视场相关局部参数优化的复杂物像映射光学设计方法

成像光学系统的观测场景愈发复杂,为了实现物方到像方复杂的投影映射,传统的光学设计方法需优化控制不同视场的像高,该方法采样追迹计算量大。文中提出采用视场相关的局部参数作为优化控制目标,由局部焦距和局部F数实现复杂物像映射关系和分辨率的调控,并达到同步优化提升相对照度的效果。采用该方法分别成功设计了中央-20°~20°视场f-tanθ等线投影,边缘±20°~±60°视场f-θ等距投影,以及中央-16°~16°视场角分辨率相同、边缘±28°~±60°视场角分辨率相同且中央视场角分辨率为边缘视场角分辨率1.5倍/0.667倍的三款120°视场广角镜头。基于视场相关局部参数优化的光学设计方法展现了灵活的物像映射调控能力,对于光学系统在复杂类型观测场景中的应用具有非常重要的价值。

基于Philips棱镜3CMOS相机的光学设计及其光谱优化

针对彩色数字相机高成像质量以及高色准的需求,本文研究了基于Philips棱镜的3CMOS相机的光学系统设计以及相机光谱优化方法。通过对Philips棱镜进行光路建模,优化了棱镜的结构参数。在保证全内反射以及出射窗口大小的条件下,减小了系统的体积,并由此设计了Philips棱镜3CMOS相机光学系统。其视场角为45°,相对孔径为1/2.8,在110 lp/mm的奈奎斯特采样频率下,系统的MTF全视场全波段均大于0.4。基于色度学基本原理建立了Philips棱镜相机的矢量成像模型,分析了由光线入射角度变化造成的薄膜光谱偏移,提出了宽光束下光谱偏移的修正模型。利用该模型设计并优化了相机中的4组光学薄膜。通过光路仿真实验以及色差分析,基于优化后的相机光学系统的平均色差降低了15.8%,像面颜色不均匀性降低了60%。结果表明:本文设计的光学系统拥有良好的成像质量,优化后的相机光谱实现了良好的颜色性能以及颜色均匀性。

基于数字微镜元件的ADB灯光系统的光学设计

汽车远光灯模式光线耀眼,在夜间会车时强光刺激会造成驾驶员生理和心理上的不适,由于炫目的影响,很容易发生意外。ADB(Adaptive Driving Beam)灯光系统可以通过摄像头、传感器判断前方来车的距离和位置,改变灯光照射的距离、强度和角度,避免对方车辆驾驶员产生炫目,提高驾驶安全性。针对现有前照灯照明方案不够灵活的问题,在现有光学方案的基础上,提出一种基于数字微镜元件的前照灯光学方案,该方案以数字微镜元件为核心,利用光学仿真软件Tracepro进行整个光学系统的搭建和仿真。仿真结果表明:此光学系统可以实现满足不同道路情况的多种照明要求,具有广泛的市场前景。

超广角长出瞳距共聚焦眼底成像系统光学设计(特邀)

眼底检查能有效筛查糖尿病、高血压等全身性疾病引发的眼底病变,是一种常规性检查。然而,当前的角膜接触式超广角高分辨率视网膜成像设备通常难以兼顾长工作距和免散瞳的功能,给患者造成了不适,也增加了检查难度。针对眼科检查中视网膜广域成像的需求,基于共聚焦激光扫描眼底成像技术,设计了一种超广角长出瞳距免散瞳的眼底成像光学系统。系统采用透射式结构,综合考虑长出瞳距和免散瞳的要求,实现了110°超广角成像。系统具备12 mm出瞳距,瞳孔处光束尺寸小于2 mm,并内置视度补偿镜组,可对−15~+15 D的屈光度人眼进行有效补偿。设计结果表明:系统的眼底物方分辨率为7.5μm,具备优良的成像质量,成像范围与工作距离满足了实际使用需求。该研究为超广角共聚焦眼底成像光学系统的设计提供了有益参考,对于提高眼底成像质量和临床诊断准确性具有一定意义。

折叠光路结构头戴显示器的光学设计

为了满足虚拟现实头戴显示器大视场、大出瞳和高成像质量且结构轻小化等要求,采用逆向光路设计方法,对折叠光路pancake结构展开研究;采用两片透镜进行设计,进行了理论分析和软件仿真,对设计的光学系统进行了公差分析。结果表明,全视场角为96°、出瞳直径为10 mm、出瞳距离为14.94 mm时,在奈奎斯特频率(20.83 lp/mm)处调制传递函数(MTF)大于0.2,最大畸变为-26.5%,最大垂轴色差为13.84μm;此结构具有更高的MTF值、更小的垂轴色差和弥散斑均方根半径,像差平衡合理。该研究为折叠光路结构的头戴显示器提供了参考。

紧凑型冷原子高分辨成像系统光学设计

对真空腔内的冷原子进行高分辨成像通常需要原子与像平面之间保持较大的距离,这不利于成像系统在光学元件密集的冷原子实验中实现.设计了一套显著降低原子与像平面距离的高分辨成像系统,实现了1μm的分辨率与50倍的放大率.仿真结果表明,通过改变透镜间距,可以适应0—15 mm厚度范围的真空窗口.该成像系统由数值孔径为0.47的显微物镜和有效焦距为1826 mm的远摄物镜组合而成.结合成像波长为470—1064 nm的仿真结果,该系统可以对钠、锂、铯等不同种类的原子进行高分辨成像.

大面阵高分辨率三变倍双远心光学设计

针对芯片在塑封工艺中的表面缺陷检测,设计一款大面阵高分辨率三变倍双远心光学系统。通过远心理想模型分析和像差优化,得到一款大视场、高精度、可变倍、低畸变的双远心光学系统。该系统采用6500 W像素的大面阵工业相机,由13片球形透镜组成,工作波长在可见光范围内,F数为7,放大倍率为-0.305^(x)、-0.427^(x)和-0.500^(x),系统总长小于362 mm。设计结果表明,不同倍率下的全视场调制传递函数在奈奎斯特频率156 lp/mm处都大于0.1,最大畸变不超过0.2%,物方远心度小于0.2°,该光学系统成像质量良好,在工业表面缺陷检测光学设计领域有着一定的参考价值。

二氧化硫遥感监测紫外连续变焦镜头光学设计

为了满足大气二氧化硫遥感监测在不同距离下高清晰度成像的使用需求,设计了一种连续变焦紫外镜头。通过对变焦系统高斯光学解的理论分析,选取四组元正组补偿机械变焦初始结构,计算了二组元机械补偿变焦系统变倍组求解的3个区间,得到了变倍组与补偿组的光焦度分配;根据大气二氧化硫对紫外光的吸收特性,确定工作波段为250 nm~340 nm;利用Zemax光学设计软件设计了变倍比为10、F数为4、总长431.5 mm的紫外连续变焦光学系统,并使用Matlab软件绘制了变倍组与补偿组的运动曲线。模拟结果表明:系统的焦距范围为25 mm~250 mm,短焦视场范围0°~7.67°、中焦视场范围0°~1.45°、长焦视场范围0°~0.77°,变焦过程中传递函数在107 lp/mm下均大于0.3,畸变均小于1%,弥散斑半径小于5.5μm。本系统适用于船舶尾气、工业生产烟囱尾气等多种场景的二氧化硫监测。

浅析光热电站槽式集热器光学设计方法

基于槽式太阳能集热器“太阳辐照能流”的传递流程,搭建光线在集热器的反射镜(考虑集热器钢构支撑精度和跟踪精度)到集热管的能量传递计算模型和公式组;通过分析公式中的“变量因素”对集热器光学性能的影响,归纳出关键变量(抛物线面型变量,能流变量和拦截率变量)。梳理具有商业化项目业绩和符合未来技术发展趋势的集热器样本方案,通过多变量下相关因素的矩阵式关联计算,开展不同方案的光学性能分析,梳理出集热器光学设计的优化要素。

《工程光学设计》教学方法探索

为适应光电信息科学飞速发展对光电人才、光学设计知识的要求,文章对本科《工程光学设计》课的教学方法进行探讨,提出在课堂教学过程中结合光学设计软件来辅助课堂教学以提高本课程教学质量的方法。

中阶梯光栅光谱仪的光学设计

为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率,实现全谱直读,对中阶梯光栅光谱仪进行了研究。简述了中阶梯光栅及中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析并比较了这种光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别。利用光学成像原理与消像差理论设计了Czerney-Turner结构形式的中型高分辨率中阶梯光栅光谱仪原理样机的光学系统。该光学系统工作在原子谱线最为密集的200～500nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350nm波长的所有像差;光线对中阶梯光栅在准Littrow条件下入射,以获得高衍射效率;使用折反射棱镜作为交叉色散元件来分离重叠的级次,在CCD探测器上获得了二维光谱面。该光学系统有较好的平场特性及点对点成像能力,在整个工作波长分辨率可达到2000～15000,满足设计要求。该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作,通过替换不同的探测器及增加外围电路与软件平台,仪器的工作性能可进一步提高。

非球面光学设计技术综述

非球面光学在工业、国防和商业等领域的应用中具有十分重要的意义。当用非球面设计光学系统时,非球面方程的选用十分重要,决定着系统最佳优化结果。文章介绍了非球面光学技术的发展过程,分析了常用非球面的应用方程,井对非球面应用方程的特点及非球面系数的关系进行了概述,较详细地分析了各类非球面应用方程的适用范围,最后概述了非球面光学在军事、工业等领域的应用以及发展趋势。

高斯光束整形系统的光学设计

研究了真实光线追迹优化光学系统的方法以简化高斯光束整形系统的光学设计。理论分析了高斯光束整形原理,并选择超洛伦兹函数作为平顶光分布函数;根据能量守恒原理,推导了高斯光束整形系统中任意光线在入射面与出射面的坐标变换关系。针对该系统的特点,使用Zemax编程语言(ZPL)编写计算坐标变换的ZPL宏指令,并优化设计了高斯光束整形系统。最后,利用金刚石单点车削法加工该非球面光学系统,并利用光束分析软件对系统的整形效果进行了测试。测试结果表明,利用该方法设计的非球面透镜实现了高斯光束的整形变换,平顶光的均匀度为87.1%。该方法简单实用,计算量小,可应用于实际工程设计。