基于激光光束质量测量的超消色差物镜设计

在激光光束质量测量时,为了避免每次测量不同波长激光都要对聚焦透镜的焦平面位置进行标定,降低测量误差,研究和设计了覆盖紫外至近红外波段的超消色差物镜。基于波像差的理论,推导了超消色差物镜初始结构求解的方程组。应用光学设计软件Zemax设计了工作波段为350~1100nm的宽光谱超消色差物镜,焦距为200mm,入瞳直径为25mm。给出了光学系统图、纵向像差曲线、焦移曲线及调制传递函数(MTF)曲线。设计结果表明,采用该方法设计的物镜,在0.707孔径处不同波长光线的球差曲线基本相交于一点,实现了超消色差;工作波段内的焦移仅为26.3μm,基本固定了焦平面的位置;在截止频率范围内的MTF均接近衍射极限,满足了紫外至近红外波段激光光束质量的测量要求。     

YAG激光打标机f-theta透镜的光学设计

随着激光应用技术的发展,F-θ透镜被广泛地应用于红外、激光等扫描系统中。文章基于F-θ透镜的原理和特性,根据使用要求,利用ZEMAX软件,设计一个F-θ镜头。该镜头焦距160mm,视场角false。优化设计后,像散值在像差容限范围内,满足平场要求;F-θ镜头相对畸变小于false;光能利用率好,聚焦性能接近衍射极限。该镜头结构简单,符合使用要求。     

800万像素折衍混合式手机镜头设计

为满足市场对高像素手机镜头的需求,利用ZEMAX光学设计软件,设计了一款800万像素的折衍混合式手机镜头。镜头采用了正-负-正的三片式结构,光阑位于第一片透镜和第二片透镜之间,第二片透镜的前表面为二元衍射面。手机镜头的F数为2.85,全视场64,总长5.9mm,在Nyquist频率处所有视场MTF值均大于0.23,相对畸变小于1%,成像质量良好。公差计算结果表明镜头公差符合加工工艺要求。     

固态体积式真三维显示器高速投影镜头设计

介绍了固态体积式真三维立体显示的原理及组成部分,主要部分包括高速投影镜头和多平面光学元件。分析了其中高速投影镜头所需达到的参数要求,即过投影镜头中心光线的最大张角不超过14.5°。采用与照相物镜类似的方法设计该镜头,选用具有较大相对孔径的双高斯物镜作为基本类型,确定半部系统的参数,根据对称关系得到全系统。最后采用ZEMAX软件设计出适合项目要求的高速投影镜头。像差分析表明,全视场内最大垂轴像差为63.5μm,最大横向色差小于2μm,最大畸变为2.4%。全视场范围内调制传递函数大于0.2的截止频率超过50lp/mm,能满足1024×768的分辨率要求。     

大口径宽光谱折射平行光管系统设计

介绍了大口径、宽光谱、折射式平行光管物镜的设计理论。结合项目设计实例：工作波长范围400nm~1100nm,焦距2000mm,相对口径1/10的折射式平行光管系统,论述了光学设计初期玻璃材料选取、初始结构选取与光焦度分配等问题。利用修正的相对部分色散P与阿贝数V建立复消色差方程组求解初始结构,使用Zemax软件优化设计出在全谱段范围内复消色差的平行光管系统。最后,给出Zemax软件分析的像差结果,系统中心视场内的点列图优于5μm ,中心波长波像差优于1/60λ,焦距色偏移量为0.33mm,其余像差均在设计指标之内。     

三分离式消热差制冷型中红外物镜的设计

为了满足多种复杂环境的使用需求,红外光学系统需要适应较大的工作温度范围。介绍了一种三分离式消色差消热差制冷型中红外物镜的设计方法。改进了三分离式结构物镜的孔径光阑位置,使物镜实现100%冷光阑效率,同时将这种结构与消热差模型相结合,推导出三分离式消热差物镜的初始光焦度分配关系,并给出透镜材料的组合原则。利用该方法设计了工作波段为3~5 m,焦距为88 mm,相对孔径为1:2的红外物镜,各视场弥散斑半径均小于5 m,调制传递函数MTF达到0.75@17 lp/mm,获得了很好的成像质量。该物镜在-20℃~+70℃温度范围内保持焦距、像面和像质很好的稳定,验证了三分离式消热差光学系统的设计方法。     

2019中科院光学系列专项培训光学设计高级讲习班(第十六届)

正2019年10月13日-18日中科院上海光机所朱健强/研究员黄惠杰/研究员徐文东/研究员杨宝喜/高级工程师一、光机系统设计和光学加工光学系统的基本要求高斯光学初级像差理论光学系统的结构像质评价杂散光二、光学设计实例光学系统设计实例重点演示的光学系统包括单透镜、双胶合透镜、非球面单透镜、非球面双胶合透镜、多重结构激光缩束镜、实用的激光扩束镜、非球面检验光路、高倍显微物镜、双高斯照相物镜等。从高温镜头出发谈光学系统产品的设计以高温镜头作为产品设计实例,从具体的使用要求出发,讲解光学系统设计的一般步骤,包括     

YAG激光打标机变焦f-theta镜扫描系统

为Nd∶YAG激光打标机设计了变焦距f-theta镜扫描系统,以使它适用于不同的打标面积而不必更换镜头,系统由四片透镜组成,材料分别为BK7、SF18和SF11,系统总长度为122.96mm,工作波长1064nm。利用f-heta镜的负畸变效应和机械变焦原理,将四片镜设计组合成两个可变档系统,系统的有效焦距分别为f-theta镜的两个常用焦距：350mm和400mm,相应的扫描范围分别为220mm×220mm,250mm×250mm,扫描角都为±18°。系统像面在0视场、0.7视场和全视场的光斑都落在相应的爱里斑以内,系统的MTF曲线接近相应的衍射极限曲线,最大波像差小于四分之一波长,系统的最大场曲和最大f-theta相对畸变都很好地满足了国内激光打标机的精度要求。     

宽谱段成像光谱仪前置物镜的设计

为满足高光谱成像光谱仪的要求,研究了可见光-短波红外宽谱段的消色差像方远心前置物镜的设计问题。针对0.5～2.5μm谱段、焦距750 mm、F/#为5和视场角±0.8°的设计要求,进行了设计方案分析,提出了R-C折反式光学系统的设计方法;透镜校正组的设计中分析了可见光、短波红外波段的材料特性,并选择了适合该系统的材料F_Silica。最终设计的系统结构简单,很好地校正了色差以及单色像差,还实现了像方远心光路。设计结果满足光谱仪的要求,在整个谱段和全视场范围内,系统成像质量接近衍射极限。     

近红外荧光扫描用共聚焦光学系统设计

为了实现近红外荧光的高分辨率扫描,设计了用于近红外荧光扫描的激光共聚焦光学系统。采用复消色差显微物镜结构设计了物镜,采用凹凸双透镜结构设计了点光源光路和照明光路,采用柯克物镜结构设计了发射光路,并采用ZEMAX软件进行了光学设计和仿真。实验表明：物镜的数值孔径为0.42;点光源光路的焦点弥散斑小于0.2 μm,将圆形光斑激光很好地转换成了点光源,其离焦弥散斑的直径小于40 μm,满足照明针孔的尺寸要求;照明光路的焦点弥散斑小于1 μm,且焦点弥散斑的能量在2 μm范围内超过了83%,因此焦点光斑的能量集中度很高;发射光路的离焦弥散斑的直径小于100 μm,满足照明针孔的尺寸要求;同时照明光路和发射光路都具有较高的光学传输效率。该激光共聚焦光学系统具有数值孔径较大、工作于近红外光谱区、分辨率高的优点。     

激光缩束系统波前畸变精度分析

对大科学工程激光参数系统中的激光缩束系统各项装调误差进行了分析,缩束系统中组合物镜系统和目镜系统离焦误差对于系统波前畸变影响最大,并对不同离焦量产生的波前畸变PV值进行了分析,得到缩束系统波前畸变的变化与系统物镜和目镜离焦量并非线性关系。采用大孔径长焦距平行光管、光纤激光器和哈特曼传感器组成激光波前测试系统对激光缩束系统的波前进行实时测量和验证,经过波前计算机辅助技术,使其技术参数达到了波前畸变PV值优于0.2（=1.053 m）的要求。     

同心结构的小型化超广角监控镜头设计

为了满足监控镜头的小型化、高像质以及大视场的需求,利用同心结构的同心透镜,并依据曲面传感器的发展现状及趋势,设计了一款同心结构的曲面像面监控镜头光学系统。该监控系统的全视场角可达到140,有效焦距为7.88 mm,F数为1.5,系统总长15.12 mm,像素可达1 100万。设计结果表明,MTF值在中心视场和0.7视场处均接近衍射极限,在全视场处均大于0.59;各个视场的弥散斑半径均小于0.6m。相比于已有的监控镜头光学系统,该设计在大视场范围内保证了优良的像质,并且实现了小型化。     

0.85数值孔径双非球面单片物镜的设计

设计了超高密度光盘存储的核心元器件——0.85数值孔径的单片物镜。设计中采用了3种方法,即两种商业软件Zemax和CodeV以及新型的CEDDA(离散定义非球面)算法。设计采用国际最新的单片双非球面的物镜形式,在考虑了偏心误差、视场倾斜角等实际制造工艺与使用条件的情况下,在合理的结构范围内,设计出的透镜波像差的RMS值可控制在1/30λ以下,达到了实际应用的技术要求。     

面向高性能的红外折射式镜头装调技术

针对红外光学材料折射率不均匀导致系统波前产生异常像差,从而引起镜头像质严重下降的问题,提出了一种光学件位置迭代调整和面形修配相结合的系统波前补偿方法,实现面向高性能的红外折射式镜头装调。在光学件精密定心的基础上,设计了在线装调检测装置,依据镜头实测波前并结合计算机辅助装调技术,通过迭代调整光学件位置矫正系统波前初阶像差。对系统残留的中高阶像差,根据各视场测得的系统波前综合分析计算,采用修配光瞳处光学件面形,引入反残留波像差的方式补偿。实验上,通过对某红外折射式镜头装调,将镜头三个视场系统波前RMS (λ=3.39μm)分别由精密定心后的0.162λ、0.118λ、0.166λ降低至0.064λ、0.040λ、0.067λ,平均MTF (@25 lp/mm)由0.31提升至0.67。结果表明,这种装调技术对红外折射式镜头系统波前补偿效果明显,可大幅提升镜头成像性能,具有重要的工程应用价值。     

高数值孔径自由曲面极紫外光刻物镜光学设计

高分辨率需求牵引极紫外光刻（EUVL）投影物镜向高数值孔径（NA）、自由曲面设计形式发展。传统的非球面EUVL物镜设计难以在高数值孔径下兼顾校正像差的需求,往往造成遮拦,破坏成像对比度。提出了一种高NA无遮拦自由曲面EUVL物镜设计方法。依据物镜形态参数判别引入自由曲面的最佳位置,能够有效校正系统像差,在不影响成像性能的情况下增大系统NA。应用该方法设计了一套高NA自由曲面EUVL投影物镜（PO）。与初始非球面物镜相比,通过增加四面自由曲面,将物镜数值孔径从0.3增大至0.35,波像差均方根（RMS）值从1 nm减小至0.4 nm,整个系统光路无遮拦。设计结果表明:该方法有效提高了自由曲面EUVL物镜设计效率,在不产生遮拦的情况下,不但增大了系统NA且减小了系统波像差,提高了物镜整体性能。     

相位差异的三反光学系统波前传感技术

分析了基于相位差异（Phase Diversity,PD）的波前传感技术的基本原理,针对该技术的目标函数自变量多、非线性程度较高等特点,提出基于遗传算法（Genetic Algorithm,GA）的改进相位差异技术。在传统目标函数的基础上增加了Tikhonov 正则项,提高了算法的稳定性和收敛效率;对光学系统利用PD 技术波前检测的噪声适应性进行了仿真分析;模拟了不同波前离焦量对检测精度的影响,获得最优的波前离焦相位值并应用于检测实验;利用PD 技术分别对离轴三反光学系统的中心视场和边缘视场进行波前检测,并将解算得到的Zernike 系数和波前图分别与干涉检验的结果进行对比。实验结果表明:相位差异技术与干涉检验的偏差小于0.013（RMS）,其检测精度满足工程需求。     

部分补偿数字莫尔移相干涉的回程误差消除

为了实现非球面面形误差的高精度测量,研究了基于部分补偿原理的数字莫尔移相干涉技术中回程误差的消除方法。通过建立实际干涉仪和建模理想干涉仪,并运用数字莫尔移相干涉技术,获得实际干涉仪像面与被测非球面面形误差相关的波前;分析了该测量系统的误差,提出采用逆向优化法消除大面形误差时的回程误差实现被测非球面的面形误差检测。实验结果表明:与轮廓仪结果比对,面形误差较小时二分之一法重构面形误差,峰谷值和均方根值分别优于/20,面形误差较大时运用逆向优化法消除回程误差,重构的非球面面形误差峰谷值和均方根值偏差均优于/5。基于逆向优化法的部分补偿数字莫尔移相干涉非球面检测,有效消除了大面形误差时的回程误差,可实现高精度的面形误差重构检测。     

空间外差光谱仪成像光学系统设计

为满足高光谱傅里叶变换光谱仪对高光谱分辨率、小畸变、像面光谱辐照度均匀、高信噪比以及仪器轻量化小型化的要求,设计了空间外差光谱仪成像光学系统。基于傅里叶变换的空间外差光谱仪空间干涉的特点和对成像系统缩放比、畸变等要求,依据干涉图调制度分析了最恶劣面形改变条件下对干涉仪元件面形误差的要求,并采用前后镜组匹配实现了双远心成像系统的设计。设计结果表明:该光学结构可避免调焦产生的成像系统缩放比改变,有效视场内畸变量约0.1%,传递函数在38.5 lp/mm处物面所有点全视场范围逸0.60。依据仪器视场角对滤光片安装位置和精度提出要求,并对成像系统进行杂散光和照度均匀性分析提出有效抑制杂散光的措施和方法。系统设计满足了空间外差光谱仪对成像的要求,实现了照度均匀、低畸变、离焦情况下缩放比保持不变等。     

高精度离轴非球面透镜的制造与检测

针对强激光系统所需大口径非球面元件高精度、批量化的加工需求,提出了一种气囊抛光技术与柔性沥青小工具抛光技术相结合的大口径非球面元件高效制造方法。采用气囊抛光技术进行非球面保形抛光和快速修正抛光,实现磨削缺陷层快速去除以及低频误差快速修正。采用柔性沥青工具匀滑抛光技术,在低频误差不被恶化的情况下,控制元件中高频误差。在抛光过程中,利用球面干涉仪搭建的自准直波前干涉检测系统和粗糙度仪对非球面元件进行全频段误差检测。基于上述加工与检测方法完成了430 mm430 mm口径离轴非球面透镜样件实验加工,实验结果为元件通光口径内透射波前PV=0.1,GRMS=5.7 nm/cm,PSD1 RMS=1.76 nm,PSD2 RMS=1 nm,Rq=0.61 nm,并且中频段功率谱密度曲线均在要求的评判曲线之下。实验结果表明,离轴非球面透镜样件全频段指标均达到了合格指标要求。所述制造方法也适用于其他类型大口径非球面光学元件的高精度加工。     

大视场凝视型红外共形光学系统设计

为提高导弹整流罩气动性能,增强导引头系统稳定性,增大观察视场,完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合,通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题,最终获得±90°的无渐晕观察视场,其冷光阑效率为100%,全视场MTF在15 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根半径小于30μm,在半径为50μm圆内能量集中度为93%以上,像面相对照度高于85%,满足大视场光学系统的成像要求。