宽谱段光学系统消二级光谱的设计

《应用光学》2010年总目次

２００年总目次１
光电系统与工程武装直升机光电系统发展与对策 …… …… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 纪明，培忠，飞综合孔径成像技术实验研究 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 王长伟，－２，月松，丽，云涛（；）ｒ刘何１８折／混合超轻小型投影式头盔光学系统设计 … … … … …… …… … … … … … 范海英，宝颍，衍张杨嘉，治国（；３郑１１）折射率偏离一的平板成像特性及改善 … … … …… …… … … … … … … … … … 梁斌明，翠雅，１时姚李卓，松林（；９庄１１）基于多重结构的平显视差仪中内调焦物镜设计 … … … … …… …… … … … … … 刘钧，晓舟，晓呜，号召（；４左吴李１２）种新型挡光环的设计 … … … … … …… …… … … … … … … … … … … 杨利华，学武，舜京，向明，刚毅（；９樊余张邹１２）基于ＺＭＡＸ的手机摄像镜头设计 … … … … … … … … … … … 宋东王张萍，Ｅ番，王诚，张韧剑，兆玉，任白晋涛（；４１３）种高星等标准星光模拟器的设计与性能分析 … … … … … … … … … … … … … … … … 冯广军，马臻，英才（；９李１３）磁约束磁控溅射源的磁场设计 … … … … … … … … … … … …… … … … … … … … … … … … … … … 弥谦，建奇（；３袁１４）数字化光学元件中黑栅效应的研究 … … … … … …… …… … … … … … … … … … … … … … … … … 荆汝宏，子强（；７黄１４）大型地面测量设备动态检测装置的设计 … … … … … … … … … …… … 何煦，琦，湘衡，陈沈韩冰，洪涛（；６）马２１９基于孔径分布概念的全景系统光学设计 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …… 吴振宇，明（；７）高２１４基于ＦＧ的ＦＯ准同步数字复接器的实现 … … …… …… … … … … … … … … … … 侯风乾，子立，博瑞（；８）ＰＡＳ宁毕２１０种印刷机滚筒表面位置偏差的高精度光电测量系统 … … … … … … … … … 杨宇峰，长缨，圆Ｉ，陈孙ｔ肖勇盛（；８）ｉ１２１５种斜入射ＦＰ型薄膜滤光片消偏振设计方法 … … … … … … … …… …… … … … … … 王种，继红， — 刘王刚（；９）２１０基于Ｉｇｔ平面反射镜轻量优化设计 … …… … … … … … … … … … … … … … 李元，明印，ｓｈ的ｉ焦罗传伟，王涛（；９）２１４基于ＰＣ和无线传感器网络的光电监测系统构建 … … … …… …… … … … … … … … … 胡大军，晗平，Ｌ昊张焱（；９）２１８基于线阵ＣＤ反狙击探测仪的研制 … … … … … … … … … … … … … 毕博瑞，Ｃ薛常佳，谷衡，晓辉，风乾（；０）张侯２２３立方棱镜二向色分光膜消倍频反射峰的设计 …… … … … … 张建付，崇民，明伟，晓云，永强，万虎（；０）杨李韩刘张２２７采用高传导率银铜镍网格电极的柔性聚合物太阳能电池杨少鹏，柴老大，占峰，贤豪，竞，晓苇，广生（；１）李刘邹李傅２２０非球面手机屏幕放大镜的设计 … … … … … … … … … … …… 李翔，陶育华，苏彬彬，郑博，忠武，逸夔（；１）麻张２２５Ａ０ＴＦ成像光谱仪光机系统设计 … … … … … … … … … … … … …… … 常凌颖，葆常，跃洪，赵邱汶德胜，萌源（；４）吴３３５长波红外大视场大相对孔径光学系统设计 … … … …… … … 陈潇，建峰，小龙，佶珂，建伟，瑜（；５）杨马何何白３３０光学被动式和机电式组合消热差方法的研究 …… … … … … … … … … … … … … … … … … …… 王学新，明印（；５）焦３３４宽谱段光学系统消二级光谱的设计 … … … … … … … … … …… …… … … … … … … … … 王美钦，忠厚，王白加光（；６）３３Ｏ款超薄非球面手机镜头设计 … … … … … … … … … … … … … …… …… … … … … … … 黄航星，伟民，金鲁丁（；６）３３５单色平面波从各向同性介质入射到晶体界面上折射波的求解方法 …… …… … … … … 王春阳，林初善，利宏（；７）党３３０基于纯位相液晶空间光调制器的可变焦透镜的实现 … … … … …… … 林培秋，朝福，展斌，应徐庞辉，楼帆（；７）３３６球面壳体上平面光学窗Ｅ设计方法 … … … … …… …… … … 崔海云，培国，渝琳，勤学，ｌ陆郭李王虎，马优恒（；８）３３１航天遥感器三反同轴系统遮光罩程序自动化设计 … … … … … …… …… … … … … … … 廖志波，瑞敏，文春（；８）伏焦３３５汽车前照灯用ＬＤ光源的光学设计 … … … … … … …… …… … … … … … … … … … … 陈益民，Ｅ聂蓉，黄杰（；９）３３０光电导天线产生太赫兹波的研究 … …… … … … … … … … … … … … … … … … … …… …… … … 肖健，高爱华（；９）３３５交变磁场对电子罗盘姿态输出精度影响的定量分析 … … … … …… … 张威，卫红，利锋，晓东，汤郝梁江涛（；Ｏ）３４Ｏ三光路共轴望远系统的研制 … … … …… …… … … … … … … 汪光骐，朱军，江超，金迪，徐峰，俞本立（；１）４５７连续变焦距镜头结构设计及焦距实时输出分析 … … … … …… …… … 乔健，曹立华，崔爽，施龙，张磊（；２）４５１大视场大相对孔径双波段夜视Ｒｃ系统设计 … … … … … … … … … … … … … 蔡占恩， — 刘朝晖，黄静，牛金星（；２）４５５新型强度检测型表面等离子共振传感器的研究 … … … … … … … … … … … … 刘瑾，海珊，海马，刘杨陈军（；２）４５９

二元光学透镜在长焦距宽谱段光学系统中的应用

中图分类号：Ｂ３Ｔ１３文献标识码：Ａ
ＵｓｆＢＯＬｎＬｏｇＦｏａ — ｄｎｓｅｏｉｎｃｌｗｉｅＢａｄ
ＯｐｉａｙｔｍｔｃｌＳｓｅ
ＬＡＧＳｉｏｇ，ＡＧＪａ．ｎＬｉｎ－ａ，Ａｕ，ＮｏｇｗｉＩＮｈ．ｎＹＮｉｆｇ，ＩａｇｕｎＢＩＷＡＧＨｎ．ｅ ’ ｔｎｅＸｊＹ
在航天用遥感或观测用光学成像相机中，般一
都要求具有比较高的地表分辨率，也就是要求成像
系统具有大的相对孔径，时具有比较长的焦距。同对于此类相机，应用比较多的是折反和反射系统，因为反射系统可以避免折射式光学系统产生的二级光
・学元件与材料・光
二元光学透镜在长焦距宽谱段光学系统中的应用
梁士通。，，杨建峰李湘眷，瑜，洪伟一，白王
（．１中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安７０１；．１１９２中国科学院研究生院，北京１０９０３）０
对于一光学系统，如其以对Ａ和Ａ两种色光
校正了位置色差，他们会在光轴上交于一点，则而该点相对于第三种色光Ａ的轴上像点不交于一点，两
第３８卷第１２期
２００８年１２月
激光与红外
ＩＥ＆ＩＲＡＲＡＳＲＮＦＥＤ
Ｖｏ．８，．２１３Ｎｏ１Ｄｃｍｂｒ２０ｅｅｅ，０８

长焦距复消色光学系统的设计_欧阳名钊

第11卷第1期北华大学学报(自然科学版)Vo.l11N o.1 2010年2月J OURNAL OF BE I HUA UN I VER SI TY(N a t ura l Sc i ence)F eb.2010文章编号:1009-4822(2010)01-0088-04长焦距复消色光学系统的设计欧阳名钊,付跃刚,刘智颖(长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022)摘要:对超长焦距复消色光学系统的光学设计过程进行了详尽的介绍,应用ZE M AX软件进行了光学设计仿真与分析,讨论了由超长焦距带来的复消色难题,分析了几种校正二级光谱方法的优缺点,分别采用特殊玻璃(TF3)与普通光学玻璃进行了设计,针对使用特殊玻璃所引起的环境友好与工艺性问题进行了探讨,通过玻璃特性对比得到了使用常规玻璃替换特种玻璃的结果.使用特殊玻璃的设计结果表明:系统的最大轴向色差不超过0.02mm,在使用的全波段内得到了复消色结果,并且主光线与能量中心的偏差控制在了1L m内,其他像差也均达到或超过了设计指标.关键词:光学设计;长焦距;复消色;特殊玻璃中图分类号:TH745文献标识码:ADesign of Long Focal Lengt h M ulti ple Ac hro m atic Optical Syste mOUYANG M ing-zhao,FU Yue-gang,LI U Zh-i y ing(Photoelectr ic Eng i neering Co llege,Changchun Universit y of S cience and T echnology,Changchun130022,China)Abst ract:The desi g n pr ocess of long focal length mu lti p l e achro m ati c optica l syste m is introduced in deta i.l The desi g ned result is si m ulated i n ZE MAX soft w are.It is a key prob le m i n super long focal length op tica l syste m desi g n that the m u ltiple achro m atic prob le m i n creased correspond i n g ly.Severalm e t h ods for correcting secondar y spectrum are ana l y zed,specia l g lass and general g lass are separate l y used i n the desi g n pr ocess.And the env iron m en-t friend l y and m anu facturab ility prob le m i n duced by usi n g spec ial g l a ss are d i s cussed.W e got the desi g n resu lt of using general g lass i n stead o f specia l g lass for glass feat u res.The m ax secondary spectr um is less t h an0.02mm,mu lti p le achro m atic resu lt w as obtai n ed i n full w ave band and the dev iation of m ai n ray and ener gy center are controlled i n1L m.The resu lt of this design is w e ll enough to m ee t the need of the w ho le syste m.K ey w ords:optica l desi g n;l o ng focal length;mu lti p le achro m atic;spec ial g lass大口径、长焦距光学系统的应用范围非常广泛,既可以作为小口径低等级平行光管和其他无限共轭成像光学系统校调和像质检测的测量基准,也可以作为望远系统在空间光通信系统中进行通信光优质传输和对准光束,以保证成像质量.大口径、长焦距系统主要的结构型式有透射式、反射式、折反射式.透射式常用的结构为双胶合和双分离结构,双胶合望远物镜结构简单、制造方便、光能损失小,可以校正球差和色差.双分离物镜可以在更大的范围内选择玻璃,对球差、色差进行校正,并且双分离物镜能够适应较大的相对孔径;由于反射式物镜使用双曲面或抛物面反射镜,可以不产生色差,易于制作成大孔径,并且当反射面形状合适时,又可以校正球差,常用于制造直径达几米的天文望远镜;折反射式系统以球面反射镜为基础,加入适当的折射元件用来校正球差也可以得到良好的效果.由于透射式结构受质量和工艺上的限制并不适合制造口径达几米的天文望远镜,而反射式与折反射收稿日期:2009-11-06基金项目:国家强辐射重点实验室基金项目(20040301).作者简介:欧阳名钊(1983-),男,硕士研究生,主要从事现代光学测量测试技术研究;付跃刚(1972-),男,副教授,博士,博士生导师,主要从事光学系统设计及检测技术研究.式系统存在遮拦比,与简单结构的透射式结构相比光能损失较大.以遮拦比为14的系统镀银表面为例,光线在正入射的时候反射比接近于1[1],但实际上非球面反射面的入射光线不可能正入射,其反射效率也只有70%到80%左右,即使镀增反膜后,反射率达到90%以上,其系统光能透过率也只有75%以下.如果采用离轴结构,虽然不存在遮拦比的问题,但将给装调带来困难.在透射式结构中,通过对镜片表面进行镀膜处理可以极大地提高光能透过率.以四片透镜为例,其透过率可以达到(0.9995)8U 0.996,且装调简单,这在制造弱光和微光模拟器时的优势比较明显.本文所设计的光学系统就是服务于弱光模拟器系统.1设计难点大口径、长焦距光学系统的核心结构为平行光管物镜,由于视场较小,主要校正球差、彗差和位置色差.对于透射式系统,使用双胶合结构就可以很好地校正球差和彗差,主要难点在于对色差的校正.光学系统通过不同色散性质的光学材料对不同色光的折射进行补偿(位置色差校正),力求使各色光形成统一的焦面,但实际上系统只能对某几个孔径带上的2~3种波长的光线进行消色差.在宽光谱条件下,光带孔径(一般为0.707带)对两种色光校正了位置色差,它们和光轴的公共焦点并不和第三种光带孔径光线和光轴的交点重合,其偏差称为二级光谱.对于一般的光学系统,在成像质量要求不是很高的情况下,二级光谱一般不需要严格校正.但当系统的焦距较长,对成像质量要求非常高时,其二级光谱对成像质量影响较大,必须予以校正,因此,复消色差成为长焦距透射式结构光学系统主要的设计难点.2消除二级光谱的方法利用二元元件对系统进行改造,主要是加入二元衍射光学元件,使得像质得到改善从而实现消除二级光谱的目的[2].从理论上讲,利用从矢量衍射理论发展出的多种设计理论加上现代计算机技术的发展可以精确地设计出所需要的衍射结构,但从目前的制造工艺上看,由于二元光学器件是一种表面的三维浮雕结构,要同时控制平面图形的精细尺寸和纵向深度,所以其加工难度很大.在实际应用中,国内制作的二元光学元件主要应用于口径小于100mm 的镜头中,加工费用不菲,成像质量并不理想,如果拿到国外加工,其费用是一般项目很难承担得起的.此项目要求口径在200mm 以上,所以虽然理论上可以利用二元元件达到比较完善的设计结果,但是在经费紧张的情况下利用二元光学来进行设计基本上没有太大的实用价值.应用反射式光学系统实现长焦距光学系统设计可以避免光学玻璃色散的产生,不会出现二级光谱的问题,但是反射式系统对轴外像差的校正非常困难,并且次镜把中间一部分光遮拦掉,随着视场和相对孔径的增大,像质迅速下降.对于微光或弱光光源系统来说,这种光能的损失是致命的,而且中心遮拦对光学系统的像质同样会产生影响,所以如果应用反射式结构来设计的话,必须解决遮拦比的问题.使用特殊玻璃来进行设计,不仅设计比较简单,而且工艺上还是相对比较成熟的.本系统属于宽光谱、长焦距投影物镜,主要校正球差、彗差、位置色差,一般可以用双胶合物镜或双分离物镜对这3种像差进行校正.但是由于二级光谱较大,如果使用双胶合系统设计,此系统焦距为5000mm,二级光谱约为2.6mm,对系统的成像质量影响很大[3].因此,在设计时必须采用3片以上透镜,且至少有1片透镜的材料为特殊色散玻璃才能有效地校正二级光谱,从而达到复消色差的目的.综合各项指标,权衡利弊最终选择使用特殊玻璃的透射式方案来进行设计.3设计过程主要指标:焦距为5000mm ,相对口径为1/25,视场为0.8b @0.8b .初始结构的确定是利用波差法设计[4]与计算机技术结合来实现的,其初始结构为三胶合的形式,目的是为了减少中间变量,满足三胶合物镜复消色条件,使计算简化.初始结构如图1、表1(TF3为特殊玻璃).图1初始结构F ig .1O r igi nal struc ture表1初始结构Tab .1O rigi na l stru cture名称半径/mm 厚度/mmK 23295.7522.10TF 3-5920.2618.53ZBaF8579.5026.97-7999.07通常对于口径较大的光学系统而言,由于胶合面积较大,要做到完全胶合是比较困难的,而且由于胶89第1期欧阳名钊,等:长焦距复消色光学系统的设计合产生的应力也将随着口径的增大而增大,很容易开胶断裂;分离式结构不仅可以解决由于大口径胶合所产生的问题,而且所产生的空气层可以作为像差校正的变量因子,使优化设计有更大的空间.因此,通过使用ZE MAX 软件对初始结构进行优化分析,最后决定使用从三胶合派生出的四片分离式结构为最终设计方案,如图2、表2.图2四片式结构Fig .2Struc ture of fou r pan els表2四片分离式结构T ab .2S tructu re of separation typ e w ith fou r pan els材料半径/mm 厚度/mm 光阑In finity 200K 22060.6730-3756.346.2TF 3-5214.0415719.632TF 3431.3112427.279ZBAF8721.582713241.70由于孔径光阑的位置将对像差产生影响,根据设计要求将孔径光阑设置在前方200mm 处.经过设计与优化,物镜的各像差曲线及点列图如图3~图6所示.图3波前差F ig .3W avefronterror 图4二级光谱曲线F i g .4Secondaryspectrum图5点列F ig .5Spot d iagram图6传递函数Fig .6M odu l ar transfer function像差曲线最大值为?50L m,轴向色差曲线的最大刻度值为0.02mm ,在0.707孔径带实现了复消色差,且在0.2和0.8孔径带两处消色差.传递函数曲线前几个视场较高,接近衍射极限.点列图并不适合评价小像差系统,但本系统要求能量准直精度较高,故列在此处.点列图的前3个视场还是比较均匀的,成像基本都在艾利斑内,且最大均方根半径只有11.12L m,其结果还是比较好的.波像差均方值为0.03%波长,远优于要求的1/20波长.此系统中心像质非常好,大大超过设计预期指标,边缘视场像差也在设计要求范围之内.此设计还有提高的余地,可以在设计要求范围之内稍微放宽对中心视场的约束来调高边缘视场的传递函数,使整个视场达到像质均匀的目的.至此,光学部分的理论设计基本完成了,但是在工程应用中还存在着许多问题.例如,由于TF3特种玻璃在实际使用中应用得非常少,属于尽量避免使用的材料,生产批次少,价格昂贵,每一批材料的理化性差异也比较大,在应用时都要对各项指标(如折射率等)进行实际测量,再对设计方案进行修改.TF3的化学稳定性不是很好,时常会出现云雾现象,但TF3独特的光学特性使得其对像差的校正是其他玻璃无法替代的,所以如果能在实用指标的限度内找到一种常用材料替代TF3来满足设计要求,不仅可以减少加90北华大学学报(自然科学版)第11卷工难度,而且可以降低成本,这种替代性设计将具有比较广阔的应用前景.4使用F3替代TF3设计方案通过对折射率、阿贝数的对比以及大量的设计仿真可知,F3玻璃可以成为TF3的替代性材料应用在本设计中.F3玻璃属于大量使用的通用性材料,价格相对较低,化学稳定性远远优于TF3特殊玻璃.TF3理化性能见表3[5],F3特种玻璃理化性能见表4.表3TF3特种玻璃理化性能Tab.3Th e features of TF3s p ec ial gl ass折射率中部色散色散系数研磨硬度1.612420.0138944.090.58显微硬度/10-7Pa耐酸级别耐潮级别气泡级别4303b4A表4F3特种玻璃理化性能T ab.4T he features of F3special glass折射率中部色散色散系数研磨硬度1.616550.0168436.610.59显微硬度/10-7Pa耐酸级别耐潮级别气泡级别3801a1A 使用F3玻璃作为TF3特种玻璃的替代设计如图7、表5所示,点列见图8,二级光谱见图9.图7F3替换结构F ig.7Substitu te stru cture of F3表5使用F3设计结果Tab.5The design resu lts by usi ng F3材料半径/mm厚度/mm光阑+]200K3-13039.6015929.582F3966.3324.06381.852.5ZBAF8383.6527-3620.955019.45图8点列F i g.8Sp ot d i agra m图9二级光谱曲线F ig.9Secondary spectrum由图8、图9可见,点列图中各个视场各波长光线分布都比较均匀集中,点列图的尺寸对于目视光学仪器而言可以满足使用要求,对于探测器接收的系统基本占2至3个像元左右,同样可以满足使用要求.由球差曲线可以看出全波段在0.707带均得到了很好的复消色,剩余二级光谱小于0.5mm.以4倍焦深为公差,可以满足使用要求.波像差不超过0.0296波长,光学传递函数在全视场内均接近衍射极限,各个视场成像质量比较对称,具有较高的分辨率.综上所述,使用普通光学玻璃替代TF3特殊光学玻璃这种低成本、低风险的设计在大口径、长焦距复消色光学系统中的应用是可行的.参考文献:[1]石顺祥,张海兴,刘劲松.物理光学与应用光学[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.[2]杨智.二元光学器件的设计与制作工艺研究[D].长沙:国防科技大学研究生院,2003.[3]张以谟.应用光学[M].北京:机械工业出版社,1976.[4]周庆才,王春艳,王鹏,等.复消色物镜的波差法光学设计[J].吉林大学学报:工学版,2007,37(4):944-948.[5]黄雷,胡雯雯,杨志文.宽光谱、长焦距准直物镜光学设计[J].红外与激光工程,2007,36(S2):125-127.=责任编辑:郭伟>91第1期欧阳名钊,等:长焦距复消色光学系统的设计。

宽谱段光纤光谱仪解读

第30卷,第5期光谱学与光谱分析2010年5月SpectroscopyandSpectralAnalysisVol130,No15,pp141721421May,2010宽谱段光纤光谱仪郑宝华1,3,程德福1,郑志忠2,修连存21.吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林长春1300262.南京地质矿产研究所,江苏南京2100163.吉林化工学院,吉林吉林132022摘要为满足野外现场矿物分析、400～2500nm的宽谱段光纤光谱仪,介绍了仪器研制过程中的光学。

光的水平反射式光路,对于不同的光谱探测谱段,个方向立体交错放置进行探测;用CPLD()驱动;采用14;1。

仪器体积小、光谱分辨率高、信号质量,,仪器实现了宽谱测量,光谱数据理想。

关键词;光栅;光谱;CPLD;USB210;CCD中图分类号:TH74411文献标识码:A DOI:1013964/j1issn1100020593(2010)0521417205引言400～2500nm光谱范围覆盖了可见至近红外的宽谱段,采用光栅分光很难在宽谱段都有高的效率。

在实验室使用的可见至近红外光谱仪都是采用多块光栅切换扫描和多个单点探测器进行光谱测量。

随着CCD线阵、CMOS线阵等阵列器件的广泛应用,出现了基于线阵列探测器的光谱仪。

如美国OceanOptics公司的USB2000型光纤光谱仪,其光谱范围覆盖在200～1100nm 之间,且体积小测量速度快,很受市场欢迎[1]。

为满足野外现场矿物、环境及土壤等测试及遥感地面验证仪器的需求,光谱范围需达到400～2500nm,同时要求仪器体积小、重量轻和测量速度快。

目前,满足上述要求的只有美国ASD公司生产的FieldSpec23光谱仪,该谱仪采用一套摄谱仪和两套近红外扫描光栅光谱仪进行拼装实现宽谱段的测量,主要存在问题是多个谱仪拼装造成仪器笨重;输入光采用3根光纤分别导入,导致测量点的代表性差;光栅扫描方式导致测量速度较慢[2]。

大视场近红外微光摄像镜头设计

大视场近红外微光摄像镜头设计肖相国1,2，王忠厚1，白加光1，熊望娥1(1.中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安 710068；2.中国科学院研究生院，北京 100039)摘要：对近红外波段玻璃材料的相对部分色散进行了研究计算，分析了近红外波段长焦距光学系统的二级光谱特性。

并设计了焦距180mm，F#1.2的大视场近红外微光探测物镜，该系统采用ZF、ZK类普通玻璃，且无胶合面，满足露天环境使用。

关键词：近红外；二级光谱；长焦距大视场；微光探测物镜中图分类号：TN214 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2006)02-0085-03A Camera Lens of Low Light Near Infrared with Large Field of ViewXIAO Xiang-guo1,2，WANG Zhong-huo1，BAI Jia-guang1，XIONG Wang-e1（1.Xian Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS, Shanxi Xi’an 710068, China；2.Graduate university of the CAS. Beijing 130039, China）Abstract：The partial dispersion of glass working on the near infrared band was caculated, and the apochromatic of a long focal length system was analyzed. A low light near infrared video camera lens was designed, whose focal length is 180mm, F-number is 1.2. Two kinds of glasses, ZF and ZK, was used in this optical system. As a video camera lens, It can be used outdoor environment.Key words：Near infrared；Apochromats；Long focal length with large field of view；Low light video camera lens引言随着科技的发展，特别是观测技术的发展，各种波段的光学观测仪器不断涌现，极大的推动了天文学的发展。

小型宽光谱低分辨率光谱仪器光学设计

ｄｆｒｎｔｕｔｒｈｕｄｂｅｉｎｅｔｉｆｒｎｙｅｏｅｇａｉｇＡｐｃｒｇａｈｗｈｃｒｓｉｈｐｃｒｍｉｅｅｔｓｒｃｕｅｓｏｌｅｄｓｇｄｗｉｄｆｅｅｔｔｐｆｔｒｔｎ．ｓｅｔｒｐ，ｉｈｗｏｋｎｔｅｓｅｔｕｈｈｏ
ｃｎａｅｇａｉｇｓｃｕｅｗｉｎｄａｔｇｓｗａｈｓｎＴｅ１ｎａｓｆｔｒｗａｓｄｔｏｓｒｉｈｅｏｄｒｏｃｖｒｔｔｔｒｔｍａｙａｖｎａｅｓｃｏｅ．ｈｏｇｐｓｌｓｕｅｏｃｎｔｎｔｅｓｃｎａｙｎｕｒｈｉｅａ
第３８卷第ｌ０期
２１０１年１０月
光电工
ＯｐｏＥｌｃｒｎｉｇｎｅｉｇｔ — ｅｔｏｃＥｎｉｅｒｎ
、０－．ｏ．０，ｌ３８Ｎ１
０ｃ．２ｌｔ０１
文章编号：１０ — ０Ｘ（０１１ — １４００３５１２１）００３ — ６
ｒｎｅｆｏ３０ａｔ０ｌ，ｓｄｓｎｄｗｈｓｈｅｏｕｉｎｉｈｇｅｈｎｌｎ，ｎｅｄｓｅｓｏｉｅｉ２．１ａｇｒｍ４ｍｏ８０ｎｎｗａｅｉｅ，ｏｅｔｅｒｓｌｔｏｉｈｒｔａｍａｄｔｉｐｒｉｎｓｓ８７ｇｓ５ｈｚｍｌｎｔｅｆｃｌｐａｅＡｃｏｄｎｏｃｍｐｒｓｎｏｔｕｔｒｆｔｅｃｍｍｏｐｃｒｇａｈ，ｈｌｔｆｅｄｈｌｇａｈｃｎｏｈｏａｌｎ．ｃｒｉｇｔｏａｉｏｆｓｃｕｅｏｏｒｈｎｓｅｔｒｐｓｔｅｆｌｏｏｐｉｏａｉｒ

宽谱段光学系统消二级光谱的设计

（．ＸｉａｎｔｔｔｆＯｐｉｓａｄＰｅｉｉｎＭｅｈｎｃ１ ’ ｎＩｓｉｕｅｏｔｃｎｒｃｓｏｃａｉｓ，ＣＡＳ，Ｘｉａ１１９ ’ ｎ７０１，Ｃｈｎｉａ；
２．ＧｒｄａｅＵｎｖｒｉｙｏｈｉｅｅＡｃｄｍｙｏｃｅｃｓａｕｔｉｅｓｔｆｔｅＣｈｎｓａｅｆＳｉｎｅ，Ｂｅｊｇ１０３，Ｃｈｎ）ｉｎ００９ｉｉａＡｂｔａｔＴｈｅｐａｔａｄｉｐｒｉｆｏｍｅｙｐｃｌａｓｓｓｒｃ：ｒｉｌｓｅｓｏｎｏｓｔｉａｇｌｓｅｗｏｒｉｎｅｒｉｒｒｄａｗａｋｎｇｏｎａｎｆａｅｂｎｄｓｃｌｕｌｔｄａｃａｅｗｉｈｔｅｆｒｕａｎｗｈｃａＶｒｄｉｉｄ．ＴｈｅａｏｃｏｔｓｏｗｉｅｔｈｏｍｌｓｉｉｈＰｎｄｗｅｅｍｏｆｅｐｈｒｍａｉｍｆａｄｂａｄｓｔｍｓｄｅｉｅｎｎｌｅｎｙｓｅｗａｓｇｎｄａｄａａｙｚｄ．Ｔｈｒｓｔｓｗｓｈａｈｏｂｎｔｏｆｔｅｅｖｅｅｕｌｈｏｔｔｔｅｃｍｉａｉｎｏｈｈａｙ
第３１卷第３期２１００年５月
文章编号：０２２８（０００ — ３００１０ — ０２２１）３０６ — ５
应用光学
ＪｕｎｌｆＡｐｌｄＯｐｉｓｏｒａｐｉｔｏｅｃ
Ｖｏ１３１Ｎｏ．分色散（利Ｐ）和阿贝数（公式，算一些典型的普通光学玻璃在４０ｎ）计５ｍ

宽光谱、大视场小畸变望远系统设计

ｉｍｐｏａａｎｔ．Ｄｅｓｉｇｎｅｄａｓｐｅｃｔｒｌｒａａｎｇｅｏｆ１—２．５Ｉｘｍ，ｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗｏｆ２８．１。ｘ０．３。，ａｒｅｌａｉｖｔｅｌｙｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ１／４，６０ｍｉｎｆｏｃａｌｌｅｎｇｈｏｔｆｔｈｅｔｅｌｅｓｃｏｐｅｓｙｓｔｅｍ．Ｓｙｓｔｅｍｓｉｎａｗｉｄｅｓｐｅｃｒａｔｌ１－２．５ｍｓｐｅｃｔｒａｌｒａｎｇｅｂｙｈｅｔｇｌａｓｓａｎｄｔｗｏｍａｔｃｉｎｈｇｓｐｅｃｒａｔｌｃｏｒｒｅｃｉｔｏｎｏｆｃｈｒｏｍａｔｉｃａｂｅ￣ａｉｏｆｎ，ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｃｏｎｒｏｔｌａｔ０．２％，ｔｏｅｎｓｕｒｅｇｏｏｄｆｏｌｌｏｗ・ｕｐｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｗｉｈｔｈｅｔｂｕｔｔ，ｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｆｏｒａｖｉａｔｉｏｎｈｅｔｌａｒｇｅｉｅｆｌｄ，
第４２卷第７期
Ｖｏ１．４２ＮＯ．７
红外与激光工程
ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１３年７月
Ｊｕ１．２０１３

宽谱段近红外星敏感器光学系统的设计

宽谱段近红外星敏感器光学系统的设计
赵坤，车驰骋
（１．华中光电技术研究所，武汉光电国家实验室，湖北武汉４３００７４）
摘要：近红外波段测星已成为星敏感器的重点发展方向之一，针对近红外星敏感器使用波段
范围内实现了二级光谱的校正，在空间频率等于３２ｌｐ／ｍｍ时各视场ＭＴＦ均大于０．６５，使系统
具有良好的像质，能够满足近红外波段的测星要求。
关键词：光学设计；近红外星敏感器；宽谱段；二级光谱
中图分类号：ＴＮ２０２；ＴＨ７４文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１３３４．０１０１００４
ｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｈａｔｃａｎｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｏｂｓｅｒｖｉｎｇｓｔａｒｉｎｎｅａｒｉｎｆｒａｒｅｄｂａｎｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ；ＳＷＩＲｓｔａｒｓｅｎｓｏｒ；ｗｉｄｅｓｐｅｃｔｒａｌｒａｎｇｅ；ｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｐｅｃｔｒｕｍ
宽的特点，依据消二级光谱理论中可行的两种消二级光谱方法，采用选取相对部分色散系数相同或接近、色散系数相差较大的玻璃组合的方法对近红外星敏感器光学０ｎｍ～１７００ｎｍ，Ｆ数为１．５，焦距为１５０ｍｍ的光学镜头，该镜头在宽光谱

短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜[发明专利]

专利名称：短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜专利类型：发明专利
发明人：毛静超,沈为民,刘青函
申请号：CN201610526847.2
申请日：20160706
公开号：CN105911672A
公开日：
20160831
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种短波红外宽波段复消色差像方远心望远物镜。

它为同轴透射式光学系统，工作波段为1.0～‑2.5μm，包括八块球面透镜，沿光线入射方向，依次为三块正弯月透镜、一块负弯月透镜、一块双凹负透镜、一块正弯月透镜和两块双凸正透镜，光阑位于第四块与第五块透镜之间，前七块透镜均弯向光阑，第八块透镜使像方主光线平行于光轴垂直入射到像面上。

本发明适用波段宽，结构紧凑、球差小、二级光谱小、色球差和色畸变远小于一个像元，像面照度均匀、像方远心、成像质量接近衍射极限，加工与制造成本低；能量利用率高、集光本领强、热适应性好、装调检测容易。

它可应用于空间遥感、机器视觉、农林检测等军事和民用领域。

申请人：苏州大学
地址：215123 江苏省苏州市苏州工业园区仁爱路199号
国籍：CN
代理机构：苏州创元专利商标事务所有限公司
代理人：陶海锋
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光学镜头数据库在多光谱遥感成像中的应用

第二种TMA，折转反射镜尺寸大，产生的二次遮拦也大。在焦距为10m，相对孔径1/10左右时，系统视场一般在2°左右。
优缺点
完全避免二次遮拦的 b)完全避免二次遮拦的 TMA型式之一 TMA型式之二
第一种TMA，折转反射镜位于次镜和第三镜之间，由于此系统的中间像是通过一平面反射镜折转，因而对此反射镜的光学质量和固定方式的要求较高。
1.三反系统的定义
三反系统初始结构图
Hale Waihona Puke 01次镜相对于主镜的遮拦比α1，第三镜相对于次镜的遮拦比α2，次镜的放大倍率β1，第三镜的放大倍率β2，再加上三个面的非球面系数k1、k2、k3。
02
用其中4个参数可以消除S1、S2、S3、S4 ，同时剩下的3个参数安排系统的结构尺寸。
按照结构的不同：
常用的两镜望远系统最多能校正两种初级像差（球差和彗差），其余几种像差也需使用折射元件校正；
由三块反射镜组成的三反系统，可以用来同时消除四种像差（球差、彗差、像散和畸变），不需使用折射元件，使用更具前景。
我们利用光学镜头数据库收集到的数据和文献，整理了可应用在多光谱遥感成像中的不同形式三反光学系统；
反射式光学系统对材料要求相对较低，取材容易。
02
01
03
反射系统的特点：
01
02
03
设计型式非常灵活，可以借助折转反射镜来折叠光路，使结构紧凑；
可以用非球面来获得大孔径、大视场、长焦距等多种性能要求的系统 ;
主要缺点是采用同轴系统存在遮拦，使用离轴系统，加工和装调工艺较难。
STEP2
STEP1
光学镜头数据库在多光谱遥感成像中的应用
中科院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室

消二级光谱装置

消二级光谱装置
消二级光谱装置，通常被称为消二级仪，全称为消光偏振干涉差示功量分析装置。

它是一种采用偏振干涉原理，并将消光和符号等能量差示法技术相结合的光谱分析装置。

首先，消二级仪的工作原理主要是基于次级瞄准光线在光谱分布范围内产生偏振现象。

在实际的操作过程中，通过瞬时消光计算出不同波长的光的数值，然后绘制出光谱图，以此达到分析物质的目的。

消二级仪具有高的分辨率和分析精度，是现代科学研究的重要仪器。

其次，消二级仪的主要组成部分包括光源、色散装置、检测器和输出装置四个部分。

其中，光源是发射出光的部分，一般以氘灯或氙灯为常用的光源。

色散元件是将入射的光线进行色散的部分，常用的色散元件是棱镜或衍射光栅。

检测器的用途是采集反射或透射过来的光，将光的强度转化为电信号。

最后，输出装置就是将收集到的信息转化为可供人们读取的形式。

再者，消二级仪的分析方法是结合消光法和功率差示法。

消二级仪中的消光法是将瞄准光线能量减至最小，然后记录减少的深度，以此来计算物质的反射率。

功率差示法是将两个不同波长的光的瞄准光线进行比较，从而得出某种物质的光谱图。

总的来说，消二级光谱装置是一种精密的光谱分析设备，它的工作原理是基于偏振干涉原理，并且结合消光法和功率差示法。

它的主要组成部分包括光源、色散装置、检测器和输出装置，通过这些组成部分，可以将来自物质的光转化为可供人们分析的信息，从而广泛应用于科学研究中。

二级光谱

二级光谱
任何两种色光在一定位置校正后,对第三种色光的剩余色差来说可看作是二级光谱色差。

其几何像差及波像差的图形如图1 所示。

图1 二级光谱极其波像差
把 D 光线的边缘校正到零, C光线与 F光线在 0. 707 带相交,交点到 D光线01707带顶点的距离代表二级光谱的几何值。

几何像差的积分即为波像差。

双胶合透镜的二级光谱色差为：
消色差的条件为
则有
用几何像差表示为
对于非胶合透镜来说则可表示为
式中 , 表示第一近轴光线在光学系统上的高度，其中 , 表示第一近轴光线分别在
光学系统第一面和第二面上的高度；表示系统的光焦度，其中表示双胶合透镜中第一
片的光焦度，表示双胶合透镜中第二片的光焦度；表示系统的焦距；和分别表示双胶合透镜中第一片的阿贝数和第二片的阿贝数；表示F光线的折射率；表示C光线的折射率；表示第三种光线的折射率；；
在焦距一定的情况下 ,由于二级光谱是由两块玻璃的相对色散差与阿贝常数差的比值来确定的 ,因此只有相对色散小 ,阿贝常数又足够大的玻璃组合 ,才能较好地校正二级光谱。

但绝大多数玻璃的色散和阿贝常数之间可用线性关系表示:
式中 , 表示相对部分色散；，表示常数；表示阿贝数。

此式不能满足
校正二级光谱色差的要求。

若要校正二级光谱色差 ,则至少要选择一种偏离此线性关系的玻璃。

由于二级光谱正比于，对于长焦距镜头来说，焦距较长 ,二级光谱色差很大 ,
若校正不好 ,则会给系统带来很大的像差 ,所以无法达到较好的成像质量。

因此在设计
镜头时，要充分考虑二级光谱色差的影响，选择合适的超低色散玻璃。

光谱仪器的光学系统

{ 2nuTA S z(y z ) S (2yz) (S
2 2 z I II
2nuTAy SI y(y2 z 2 ) SII (3y2 z 2 ) (3SIII SIV ) 2 y SV 3
2 S ) z III IV
总结：
5、色差：
从波动光学的角度看，不同波长将有各自的波面，且其高斯象面和理想的倍率均不相同 C，F两种色光W nuTAz z
单色光与高斯象面交点离高斯象点的坐标为：
{ 2nuTA (初级) S z(y z ) S (2yz) (S
2 2 z I II
2nuTAy (初级) SI y(y2 z 2 ) SII (3y2 z 2 ) (3SIII SIV ) 2 y SV 3
光线与高斯象点的距离
2 2 3 r (2nuTAy ) (2nuTAz ) SI
{ 2nuTA S z(y z ) S (2yz) (S
2 2 z I II
2nuTAy SI y(y2 z 2 ) SII (3y2 z 2 ) (3SIII SIV ) 2 y SV 3
a 2 (3S III SIV ) b 2 (S III SIV )
4、畸变：
下脚标为V的象差系数项
3 2nuTA S y V
畸变与视场孔径三次方成正比畸变不破坏象面的清晰度，只改变象的相似性因狭缝很窄，畸变造成的谱线在象面内的弯曲比其他原因造成的谱线弯曲小，所以不考虑
（2）视场 (视场角为 2 w ) 准直物镜的视场子午面内弧矢面内
2a1 2tgw1 0 f1 2b1 2tgw1 f1
成象（暗箱）物镜的视场 l 子午面内 2tgw2 (l为一次摄取的谱面长度) f2 l cos 谱面倾斜时 2tgw2 f2 对于单色仪或分光光度计，子午面视场角很小

近紫外-可见光宽波段复消色差显微物镜设计

近紫外-可见光宽波段复消色差显微物镜设计陈姣;焦明印;常伟军;康文莉;胡博;张凤娟;崔海云【摘要】A customized microscope objective for near ultraviolet (UV)-visible spectrum was designed, which was used to observe the image of nuclear fusion irradiated by laser. The operation wavelength was 300 nm～500 nm, the magnification was 10* and the numerical aperture (NA) was 0.3. The transmission-mode structure was established in the microscope objective, by theoretical calculation with PW method and optimization with CODE-V, the apochromatism was achieved. Thus, the problems such as difficult aberration correction and low efficiency of optical system, resulted from the few kinds of UV optical materials and low refractive index, could be solved.%设计了波段300 nm～500 nm,放大倍率为10×,NA=0.3的近紫外-可见光显微物镜,用于观测激光照射核聚变的成像过程.该系统采用透射式结构,通过P、W设计方法和CODE-V软件的优化,实现了系统的复消色差,较好地解决了紫外光学材料种类少、折射率低带来的像差校正困难和光学系统效率不高的问题.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2011(032)006【总页数】5页(P1098-1102)【关键词】复消色差;近紫外-可见光;显微物镜;PW法【作者】陈姣;焦明印;常伟军;康文莉;胡博;张凤娟;崔海云【作者单位】西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TN202;TH70引言激光照射核聚变是目前普遍采用的一种人工可控核聚变技术，该核聚变在300nm～500nm波段范围的发光最好，易于观测，在实验中迫切需要设计一个复消色差的近紫外－可见光显微物镜，对核聚变过程中微小物质的变化情况进行光学放大成像并实时观测。

光学设计知识点总结

光学系统设计的具体过程: 「1、根据使用要杷定合理的技耒药T]（2.光学系经创始盈构确込）[4、参数规化（、卜径套样板、片度恻整〉 5、公滩分析〕二像差1. 在级数展开过程中.所忽略的商次项即表征了光学系统的实际像与埋想像之间的差异.这种差异即为像差。

2.「A 单色像差*•儿何像差・球差.彗差（正弦差）.像散.场曲、畸变L 》色差位置色差、倍率色差•波差实际波面与理想球面的偏差称为波像差，简称波差。

3 .1）对光能接收器的垠灵敬的谱线校正单色像差；2）对接收器所能接收的波段范鬧两边缘附近的谱线校正色差；一）球養（孔径的函数）（球筮是轴上点成像存在的唯一的一种单色像澄）1. 轴上一点发出的不同孔径和入射商度的光在通过光学系统后有不同的像距，就是球差oL^f-r危害：球差帯來的危害是一个恻形弥散斑，影响像的淸晰度校正^1）单个正透镜产生负球差，笊个负透镜产生正球差。

因此用正负透镜组合校正球差。

2）非球面校正球差：在zemax 中，点击分析•朵项、轴向像差查看2•单个折射球面的无球差点：1） M iL=Olht. LM ）.即物点与球面顶点重合时不产生球差：2）、"ismI ・sinT = O ・即1=1' = 0时.这时L = L' = r ・即物点位于球面球心时，不产生球差。

r n + n r , n + n n _ nL f ifL = -------- r L =—/• /3=—- = — 2. ） 11 , 11 ， 11L n '.这一对共觇点称为不晕点，或齐明点【仞」1】物点位于透镜第一面的球心，第二面为不晕面。

■第■面：L\ =L f \ =T],0]=®/叭=l/n;■第一面：L^= L fL f 2 = ”必2卅 2=也2、厂2=”2厶 2/（"2十"‘2）=«£2/（«+1）, 02=（捕呛片乩3. 球差的级数展开式：初级球差与孔径的平方成正比.二级球差与孔径的I 川次方成正比。

Zemax光学设计：一个大口径折反式星敏感器光学系统的设计实例

Zemax光学设计：一个大口径折反式星敏感器光学系统的设计实例引言：星敏感器是空间飞行器中广泛使用的一种高精密空间姿态测量仪器，通过探测空间不同位置的恒星来获取空间飞行器的姿态信息。

光学系统是星敏感器的核心部件，其成像质量直接影响着星敏感器的探测能力。

为了提高星敏感器的探测能力，要求其光学系统在具有更宽的谱段范围、更大的入瞳直径的基础上能够尽量减小畸变和色差。

目前星敏感器所使用的光学系统有透射式结构、反射式结构、折反式结构等。

透射式光学系统是最常见的结构形式，但是存在光学系统口径小、较多的光学透镜数量导致二级光谱难以校正、整体质量大幅增加的缺点；反射式光学系统具有系统口径大、光学透镜数量少、无色差的优点，但是其结构中存在光遮拦会造成空间光的能量利用率低、边缘视场的像差校正能力较弱、结构设计难度大等问题。

折反系统采用反射镜和透镜相结合的方式，反射镜不会引起色差，透镜组能够对整个系统的像差进行校正并增大整个光学系统的视场，在整个折反光学系统中，像面的位移不会受到反射镜的影响，当反射镜和支架选择的材料膨胀系数相近时，可以降低整个系统对环境温度的敏感度。

主要设计指标：实例参考：《大口径折反式星敏感器光学系统的光路设计---李建林》设计仿真：首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance PupilDiameter”，并根据设计要求输入“250”；在视场设定对话框中设置5个视场，要选择“Angle”，如下图：在波长设定对话框中，设定0.45～0.95um共6个波长，如下图：查看LDE：R-C系统的主镜和次镜的通光面均为双曲面,可有效校正初级球差和慧差。

在次镜前加入光阑校正球面透镜组可校正系统残余的像散、场曲和畸变。

同时，在次镜与像面之间加入的视场校正球面透镜组用以增大整个光学系统的视场，从而提高光学系统的探测精度和星敏感器的成像质量。

2D Layout：查看点列图：查看畸变：相对畸变越小,越有利于提高星敏感器的测量精度.通过优化设计，全视场范围内的最大相对畸变为 0. 080%,完全满足相对畸变小于0.1%的设计指标。