三反射式柱面光学系统设计及优化
新型离轴三反射光学系统设计
（ 北京 空 间机 电研 究所 ， 北京 １ ０ ０ ０ ７ ６ ）
摘 要 ：对比反射 系统 中双反射 系统和三反射 系统各 自的优缺点 ， 提 出一种新型的无遮拦 两镜 三反射光
学 系统。与现在 常用的 离轴三反射 光学 系统相 比 ， 该 系统最大的优 势是只用 了两片非球 面反射镜 ， 减小了 加 工成本 ， 降低 了加 工难度 。分析 了该种 系统的具体设计步骤 ， 设计 了一个 焦距为 ５ ０ ０ ｍｍ、 视场 为 ｌ ｘ ０ ． １ 。 、
中图分 类号 ： Ｔ Ｂ１ ３ ３ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ７ — ２ ２ ７ ６ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ — ０ ５ ４ ６ — ０ ５
Ｎｏ ｖ ｅ ｌ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｏ ｆ－ ａ ｘ ｉ ｓ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｒ ｅ ｌｅ ｆ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｆ－ ａ ｘ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ— ｒ ｅ ｌｅ ｆ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍｓ ，ｔ ｈ ｅ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｉ ｓ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ ｗａ ｓ ｔ ｈａ ｔ ｉ ｔ ｏ ｎ ｌ ｙ
Ｇｕ ｏ Ｙｏ ｎ ｇ ｘ ｉ ａ ｎ ｇ ，Ｌｉ Ｙｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ａ ｎ ｇ，Ｌｉ ａ ｏ Ｚｈ ｉ ｂ ｏ ，Ｗ ａ ｎ ｇ Ｊ ｉ ｎ ｇ ｙ ｉ
（ Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｉ ｔ ｙ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ７ ６ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
反射式光学系统的设计
反射式光学系统在本次学习中你将学习如何新建一个反射系统模型，如何添加一个非球面，如何添加一个偏心表面，非球面系统的优化方法，变焦系统等。
符号规则厚度：在反射系统中，厚度值的符号随反射次数的变化而变化，偶次反射之后为正，奇次反射之后为负。
在下一次反射之前，厚度值符号一直不变。
半径：曲率中心在顶的右侧则为正，在左侧为负。
双通表面和系统在某些反射系统中，其中一些表面被光线“看到”两次，例如在双通系统中，此类表面必须输入两次或更多次，每次光线命中表面均算一次。
在优化此类系统中，必须将这些表面结组，这样曲率（通常也包括厚度值）就不会独自改变。
这时最好使用拾取功能。
反射系统数据表面数据1选择File-new，在CodeV示例中选择cv_lens:maksutov.len，单击确定。
2接收示例文件的值（F数10，波长546.1，物体视场角0º和1.5º）。
下面是其表面数据。
注意，表面3stop和表面4的折射类型为反射，厚度3的符号为负（反射1次），而厚度4为正（反射2次）。
还请注意，这里某些值是相同的，表面2和4的半径，它们代表相同的物理表面。
现在，它们是独立变量，但是您需要进行更改以便使用拾取功能。
3右键单击4的Y半径，选择“拾取Pickup”，显示拾取编辑器。
4在参数字段中选择（与依赖参数相同same as dependent parameter）或着Y半径，在表面字段中选择2，比例为1，偏移为0，单击确定。
5在LDM窗口内，右键单击表面3上的厚度，并选择拾取。
如下6在参数字段中选择（与依赖参数相同same as dependent parameter）或着厚度，在表面字段中选择2，比例为-1，偏移为0，单击确定。
7表面3stop和表面4输入表面名称Primary和Secondary，说明3是主镜4是次镜，如下所示。
这在稍后的添加孔径和档光时会非常有用。
现在LDA窗口如下，小P表示拾取。
光学系统设计09-OSLO-4-优化-公差分析
∑ φ(x) =
N
⎡ ⎢
Aj
−
D
j
⎤ ⎥
j=1 ⎢⎣ T j ⎥⎦
Aj 变量当前值
D j 变量目标值
Tj 公差（倒数作为权重因子）
1.编写SCP程序，用OCM[1]~OCM[50]代表需要优化的目 标运算元。
2.程序文件第一行以*开头，放入private Æ scp目录，文件 名使用第一行的命名；
3.在菜单optimize Æ operating conditions Æ cammand for scp operands 中填入程序名；
计算0, 0.7, 1视场 8条光线
1为主光线 2为边缘光线 3, 4, 5为0.7视场处的孔径光线（-0.8,+0.8孔径Y, 0.7孔径X） 6, 7, 8为1视场处的孔径光线（-0.7,0.7,孔径Y,0.65孔径X）
具体参数意义见手册216页
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优化
SCP分量作为优化变量的一般步骤
4.在optimize Æ operands 中填入OCM1~OCM50，即在 SCP程序中计算用到的参数；
5.设定系统变量； 6.进行优化。
87
优化
88
优化-简单的例子
利用优化功能找到透镜边缘光线在光轴的交点位置
通过光线追迹再换算得到（球差计算部分已经介绍） trace_fan(y,all,3,-0.01,0.01,0); trace_fan(y,all,3,-1,1.0,0); 观察DY值的变化，理解高斯像面的含义； set_preference(outp,off) 设定操作指令结果不在文本窗口显示； 与前面换算结果对比；
关于柱面光学透镜在光学成像系统中的运用
关于柱面光学透镜在光学成像系统中的运用作者：朱让甜来源：《中国新技术新产品》2014年第09期摘要：在非球面透镜中柱面镜是最普遍的一种，采用球面系统具有分别描述成像的特点，在一些特殊场合其具有特殊作用。
本文主要分析了柱面光学透镜成像原理，柱面光学透镜反射光线追迹，柱面光学透镜在光学成像系统中的运用。
关键词：柱面光学透镜；光学成像；运用中图分类号：O436 文献标识码：A一、柱面光学透镜成像原理（一）平面镜物体在静止的平面镜中出现的反射，这一结论来自于光学传播的基本定律。
分析虚像原理，可以简单理解为物体对镜平面产生的对称形体。
（二）柱面镜将曲面作为反射面时，入射光线与过曲面形成的成像点法线产生的角便是入射角，是相当于反射光线和同一法线之间产生的反射角，并且在同一平面内产生了入射光线、反射光线和法线，这个平面和过曲面产生的成像点切平面彼此垂直。
但是，在过曲面上由于各点比不是彼此平行的法线方向，例如：柱面法线垂直相交柱轴的很多叉线。
因此，所谓的柱面反射的虚像缺少固定的位置能够寻找，而是随着视点不同位置而出现了差异。
二、柱面光学透镜反射光线追迹将圆柱反射面光线反射作为追迹范例，在圆柱面顶点位置A构建直角右手坐标系，促使AX平行于圆柱面母线，坐标面的子午截面是AXZ。
如此，假如圆柱面设a为曲率半径，与坐标面OYZ平行的任意平面去截圆柱面时，都是在平面AXZ上获得截线，半径是a的圆。
在AXY存在于物面上的点D（X，Y，Z）沿着适量C方向发出一光线，光线在圆柱面上的投射点d1可以通过点d和适量c，促使d成为物面A点到d点的位置向量；圆柱面定A1至投射点a1的位置向量；N则是从A1到垂直于光线的向量，在两表面间线段的光纤通过垂直划分为两部分；分别是从A1向C1产生的辅助向量。
三、柱面光学镜在光学成像系统中的运用（一）单面柱面光学镜在光学系统应用仅在一个方向上柱面镜有曲率，利用柱面反射镜光纤矢量追迹可知，一个截面维度方向对于平行光束来说产生了会聚或者发散功能，但是不会对X轴方向发挥任何作用。
大口径红外离轴三反光学系统设计及公差分析
大口径红外离轴三反光学系统设计及公差分析孙永雪;夏振涛;韩海波;王珂;陈刚义【摘要】在空间光学领域中,光学系统的发展趋势为长焦距、大视场、轻量化、大相对孔径、高成像质量等.为适应该发展趋势,对大口径反射式光学系统进行研究,在共轴三反系统的成像理论基础上,为避免中心遮拦,提高成像质量,采用视场离轴方式,设计了一款大口径离轴三反式光学系统.该光学系统在奈奎斯特空间频率17lp/mm处,光学传递函数MTF大于0.75,成像质量接近衍射极限.此外,光学系统公差的合理分配是影响相机总体性能的主要因素,运用公差灵敏度分析和反转灵敏度分析,计算各公差对光学系统成像质量的影响,给出了合适的公差分配,经过模拟分析,按照给定的公差加工装调,系统光学传递函数大于0.55.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】6页(P803-808)【关键词】红外系统;光学设计;公差分析;离轴三反系统;红外光学材料【作者】孙永雪;夏振涛;韩海波;王珂;陈刚义【作者单位】上海卫星装备研究所,上海200240;上海卫星装备研究所,上海200240;上海卫星装备研究所,上海200240;上海卫星装备研究所,上海200240;上海卫星装备研究所,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TN216引言在航天遥感领域中，长焦距、高分辨率的红外相机发挥着越来越重要的作用。
相机的地面分辨率与光学系统的角分辨率有关，由于衍射极限限制，要实现高分辨率就要求光学系统具有大的口径。
在光学系统设计中，由于材料、重量和价格等的限制，长焦距、大口径的光学系统多采用反射式结构。
反射式光学系统以其无色差，光路可折叠，便于缩短筒长，结构紧凑，易于轻量化，口径和焦距都可以做的很大，以及对温度变化不敏感等优点，在航天遥感领域备受关注[1-2]。
反射系统一般分为双反射镜系统和三反射镜系统，其中双反射镜系统由于优化变量少，不能满足大视场、大相对孔径要求；三反射镜系统有3个半径、2个间隔、3个非球面系数共8个参数，在满足焦距和主要像差后有充分的变量来满足外形尺寸的要求，也可降低系统高级像差。
多级反光镜光学系统的设计与优化
多级反光镜光学系统的设计与优化多级反光镜光学系统被广泛应用于航天、机器视觉、医学影像等领域中。
它能够实现高分辨率、高对比度的成像效果，并且具备一定的适应性，能够适应不同环境下的成像要求。
本文将深入探讨多级反光镜光学系统的设计与优化问题。
一、反光镜与光路设计反光镜是多级反光镜光学系统的重要组成部分。
它能够反射由主光路传入的光线，使光线能够沿着不同的光路传播。
因此，反光镜的反射率、表面形态等因素会影响光路中的光线走向，从而影响成像质量。
在反光镜的设计中，需要考虑其材质、反射率、形状和尺寸等因素。
一般来讲，反光镜应该具有较高的反射率，以最大程度地保持光线的亮度。
同时，反光镜的表面形态也需要充分考虑，以减少光线反射过程中产生的光学噪声。
在光路的设计中，则需要考虑光路的传播路径、光路长度以及光路中的光学元件的位置和大小等因素。
通过对这些因素的控制，可以实现更加稳定、高效的成像效果。
二、多级反光镜系统的优化在多级反光镜光学系统的设计中，需要考虑光学元件的数量、形状和大小等因素。
同时，还需要考虑反光镜的反射率和表面形态等因素。
在这些因素的基础之上，我们可以通过优化反光镜的布局和光学元件的尺寸等参数，来实现系统的优化。
其中，反光镜布局的优化是非常重要的。
反光镜的布局需要考虑光线通过反射镜后的传播路径，从而使得光线到达成像平面的过程最为高效和稳定。
同时，反光镜也需要尽可能少，以减少光线在传播过程中的损失。
另外，反光镜与光学元件之间的距离也是影响系统性能的重要方面。
通过优化反光镜与光学元件的尺寸和布局，可以实现更少的反光镜和光学元件的使用情况下，获得更高的成像质量。
三、多级反光镜系统的实际应用多级反光镜光学系统被广泛应用于各种不同的领域中。
在机器视觉领域中，多级反光镜光学系统被用于实现高精度的位置定位和物体识别任务；在医学影像领域中，多级反光镜光学系统能够减少不同组织之间的干涉，从而实现更加清晰和准确的成像效果。
总之，多级反光镜光学系统是一种灵活、高效而且能够适应不同环境的光学设备。
长焦距离轴三反射光学系统设计
长焦距离轴三反射式光学系统设计王路王春艳鲍智康（长春理工大学光电工程学院，长春130022）摘要：介绍了一种长焦距离轴三反射式光学系统的设计过程。
在同轴三反射式光学系统基础上,将第一面镜设置成光阑，通过对其适当的离轴、倾斜，实现无中心遮拦的离轴反射式光学系统设计。
给出了同轴系统初始结构的求解方程，分析了同轴系统存在的问题。
以一个长焦距离轴三反射式光学系统作为设计实例，通过镜面离轴、倾斜并进行优化,得到了成像质量良好的光学系统设计结果。
关键词：离轴三反射式光学系统；长焦距；光阑；中心遮拦中图分类号:TH703文献标识码: A文章编号:Design of Long Focal Length and Uncoaxial Three-mirror Reflective Optical SystemWANG Lu WANG Chunyan BAO Zhikang( School of Photo-electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022)Abstract: Introduced the designing process of a long focal length and uncoaxial three-mirror reflective system. .Based on the coaxial three-mirror, placed the first surface as the aperture and decentered to a suitable position to get the result of non-obstruction of the light..Primary aberration formula is deducted respectively, and analyzed the problems existed in the coaxial three-mirror reflective system. Took an uncoaxial three-mirror reflective system as a design example, by decenterring and tilting the surface, and got a good image quality of optical system design results.Keywords：uncoaxial three-mirror reflective system; long focal length; aperture; obstruction of light0.引言反射式物镜在空间光学系统中有着广泛的应用。
离轴三反射式光学系统设计
ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ． Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｐ ｒ ｉ ｍａ ｙ ｒ ａ ｂ ｅ ｒ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ， ａ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍｕ ｌ ａ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｒ ｅ ｌ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
光 阑置 于主镜 上 或之 前 ， 光 阑离 轴 。如 图 １ 所示。
量上考虑 ， 折射 系统 采用 的是 实 心镜 ， 其质量最大 ，
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｇ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｌ ａ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ｓ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｒ ｅ ｌｅ ｆ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ，ｔ ｈ ｅ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈｅ
ｃ ａ ｌ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ａ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｒ ｅ ｌ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ ａ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ
摘
要： 在三反射镜光学 系统 的几何光学理论基础上 ， 详细讨论了三反射式光学系统的设计方法 ， 从初级像差理论 出发推
导出 了三反射式系统初始结构的计算公式 ， 并且得 出了系统结构形式 与其基本结构参数 和焦距之 间的关系 。通过设计实例讨 论 了不 同 的三 反射式光 学系统 的特点及 其应用 。设计 了大视场 、 小 Ｆ数且实现衍 射极 限成像 的光学系 统 ， 且能有效 抑制杂
周磊_09_光学学报_自由立体显示用柱面透镜光栅的优化设计
第29卷 第12期光 学 学 报V ol.29,No.122009年12月ACTA OPTICA SINICADec ember,2009文章编号:0253-2239(2009)12-3506-05自由立体显示用柱面透镜光栅的优化设计周 磊1,2王琼华1,2陶宇虹1,2李大海1,2赵悟翔1,2焦甜甜1,21四川大学电子信息学院,四川成都6100652四川大学视觉合成图形图像技术国防重点学科实验室,四川成都610065摘要 在用于自由立体显示的柱面透镜光栅的设计中,针对用理想光学系统思想计算的数据不够精确,用光学软件计算的数据往往不符合实际要求且需反复尝试,提出用光线追迹建立数学模型的方法设计柱面透镜光栅参数。
将观看距离、柱面透镜光栅离显示屏距离以及柱面透镜光栅的焦斑大小共同作为参数设计的依据。
分析了柱面透镜曲率半径和焦斑大小,以及柱面透镜厚度和焦斑大小的变化关系。
采用该方法为19inch (48.26cm)平面显示屏设计了一组柱面透镜光栅参数,并用光学设计软件A SAP 模拟了该系统的视区分布。
结果表明该柱面透镜光栅的视区分布比较理想,宽度为65mm,满足高性能自由立体显示的要求。
关键词 光学设计;自由立体显示;柱面透镜光栅;视区分布中图分类号 T N 141 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 20092912.3506Optimum De sign of Le nticular Lens for Auto -Stereoscopic DisplayZhou Lei 1,2 Wang Qio nghua 1,2 Tao Yuho ng 1,2 Li Dahai 1,2Zhao Wuxiang1,2Jiao Tiantian1,21S chool of Elect r on ics an d Inf or m a tion Engin eer in g ,S ichu an Un iver sit y ,Chen gdu ,Sichu an 610065,Chin a2Key La bor a tor y of F un da m en ta l Sy nt het ic Vision G r aphics an d Im a ge f or Na tion a l Defen se ,Sichu an Un iver sit y ,Chen gdu ,Sichu an 610065,Chin aAbstract I n the parameter design of lenticular lens used for auto -stereoscopic display system,bec ause the parameters calculated by using ideal optical system are im prec ise and the parameters calc ulated by using optic al software are unpractic al or complex,a mathematic model based on rays tracing is proposed.The viewing distance,the distance from the display to the lenticular lens and the size of focus spot a re taken as the basis for parameter design.The relationship between the radius and the size of focus spot,and the relationship between the thickness and the size of focus spot are analyzed.The para meters of lenticular lens for a 19inch (48.26cm)flat display are designed and the viewing zone distribution is simulated by the optical design software called ASAP.G ood viewing zone distribution is obtained and it s width is 65mm,which satisfies the requirements for the auto -stereoscopic display having good performances.Key wo rds optics design;auto -stereoscopic display;lenticular lens;viewing zone distribution收稿日期:2009-01-15;收到修改稿日期:2009-02-25基金项目:国家863计划(2007AA 01Z301)资助课题。
新型三反射光学系统设计
新型三反射光学系统设计近年来，随着互联网技术和信息技术的发展，受到越来越多人的关注，光学技术也日益成为社会科技发展的重要组成部分。
由于光学技术在许多地方都发挥着重要作用，比如医疗保健，安全防护，电信和信息系统，电子显示屏，机器视觉，空间科学和军事领域等，光学技术的发展具有重要的意义。
传统的光学技术大多数是基于简单的双反射和多反射原理。
在复杂的场景下，这种技术会遇到很多问题，比如反射太多的光会导致图像模糊，反射的路径会被屏蔽，等等。
为了解决这一问题，研究人员提出了一种新型的三反射光学系统设计，以改善反射出现的问题。
新型三反射光学系统是一种基于多种光学原理的复合系统。
它使用一种反射模式，将发射的光反射到三个不同的反射器上。
这种系统的主要优势是可以有效地控制反射的损耗，从而改善图像质量，同时还可以减少背景反射带来的干扰。
此外，三反射系统还可以有效地提高光和受光物体之间的距离，避免因光污染而导致的图像模糊。
此外，此类系统具有较高的耐受性，可以有效地抵抗环境噪声，并进一步提高图像质量。
除了上述优点外，新型三反射光学系统还具有一定的缺点。
最重要的是，它是一种复杂的光学系统，在设计和制造过程中需要大量的时间和精力，同时由于系统的复杂性，可能带来更多的成本。
另外，此类系统的抗灰尘能力一般比较低，如果环境中有太多的灰尘，难以保证良好的图像质量。
总的来说，新型三反射光学系统是一种非常有前景的光学技术，它可以有效地解决传统反射光学系统存在的许多问题。
由于它开发过程中包含了多种光学原理，它在现有的应用中也有着重要的意义，比如医疗保健，安全防护，电信和信息系统，电子显示屏，机器视觉，空间科学和军事领域等。
如果结合相关的光学原理，以及现有的计算机技术，那么未来的应用将会更加广泛。
从上述内容可以看出，三反射光学系统具有诸多优点，但也存在一定的缺点。
未来，我们要充分利用光学原理和计算机技术，进一步改进新型三反射系统，针对不足之处进行改进，以更好地应用新型三反射光学系统，为未来的众多应用领域带来更大的帮助。
光学系统的设计与优化方式
光学系统的设计与优化方式光学系统的设计是光学工程师在实际应用中面临的重要任务之一。
一个良好的光学系统设计可以确保光学设备的性能优越，使其在不同应用领域中发挥出最佳的效果。
在进行光学系统设计时，需要考虑到光学元件的选择、对周围环境的适应性以及光学系统的整体优化。
本文将介绍一些常用的光学系统设计与优化方式，以帮助读者更加全面地了解光学系统设计的过程与技巧。
首先，一个成功的光学系统设计需要合理选择光学元件。
光学元件的选择通常与光学系统的特定需求有关。
例如，在成像系统中，选择合适的透镜系统可以确保图像的清晰度和对比度；而在激光系统中，合理选择激光器、光纤等元件则可以保证激光输出的功率和稳定性。
因此，在光学系统设计时，工程师需要充分了解光学元件的特性和性能参数，并根据系统需求选择合适的光学元件。
其次，光学系统的设计需要考虑光学元件与周围环境的适应性。
光学系统常常处于各种复杂的工作环境中，如高温、低温、高湿度、强磁场等，这些环境条件可能对光学元件的性能产生负面影响。
因此，在设计光学系统时，需要选择具有良好稳定性和耐腐蚀性的光学元件，并考虑采取适当的保护措施，以确保光学系统能够在恶劣环境下正常工作。
光学系统的设计还需要进行系统的整体优化。
一般来说，光学系统的优化目标是最小化系统中的光学误差和提高系统的性能。
其中，光学误差包括像差、畸变等，这些误差对系统的成像质量产生重要影响。
优化光学系统的常用方法包括光学模拟软件的使用、系统参数的优化以及光学元件的调整。
通过光学模拟软件，工程师可以快速计算和分析光学系统的性能，并根据需要进行调整。
通过系统参数优化和光学元件的调整，可以不断改进系统的成像质量和性能。
此外，光学系统的设计还需要考虑实际制造和装配的可行性。
在设计光学系统时，需要充分考虑光学元件的制造工艺和装配要求，并确保光学系统的制造与装配过程能够满足设计要求。
对于复杂的光学系统，可能还需要进行原型制作和测试，以验证设计的可行性和性能。
柱面菲涅耳太阳聚光透镜的光学设计和光学效率
柱面菲涅耳太阳聚光透镜的光学设计和光学效率【柱面菲涅耳太阳聚光透镜的光学设计和光学效率】一、引言柱面菲涅耳太阳聚光透镜是太阳能领域中的一项重要技术，它通过聚焦太阳光线来产生高温能量，可用于太阳能发电、热能利用等领域。
本文将以柱面菲涅耳太阳聚光透镜的光学设计和光学效率为主题，深入探讨其原理、设计方法和性能评估。
通过对其光学设计的深入分析，将帮助读者更全面、深入地理解柱面菲涅耳太阳聚光透镜及其在太阳能利用中的应用。
二、柱面菲涅耳太阳聚光透镜的原理柱面菲涅耳太阳聚光透镜的原理基于菲涅耳镜的设计思想，通过曲面微透镜的阵列结构，将太阳光线聚焦到光电转换器上，实现高效地光学聚光。
其核心原理在于利用柱面透镜的曲面结构和菲涅耳透镜的微透镜结构，将太阳光线聚焦到一个小点上，提高光照强度，从而提高光电转换效率。
在设计过程中，需要考虑透镜的表面形貌、阵列的布局和光线的折射、反射等特性，以实现光线的高效聚光和能量的有效利用。
三、柱面菲涅耳太阳聚光透镜的光学设计1. 表面形貌设计柱面菲涅耳太阳聚光透镜的表面形貌设计是关键的一步，它直接影响着光线的聚光效果和光学效率。
通过数值分析和优化算法，可以确定透镜的曲率半径、微透镜的尺寸和间距等参数，以实现近似理想球面或抛物面的形貌，并保证透镜表面的光学质量。
2. 阵列布局设计透镜阵列的布局与间距设计对光学效率有着重要影响，合理设计的阵列布局可有效减小透镜之间的遮挡和光损失。
常见的布局包括方形、六边形等，对于特定的光子通量密度和透镜数量要求，需要进行系统的优化设计，以实现最佳的聚光效果。
3. 光线折射反射模拟在光学设计过程中，需要进行光线的折射和反射模拟，分析光线在透镜表面的传播路径和相互作用，以评估透镜的聚光性能和光学效率。
通过光学仿真软件进行模拟分析，可以对透镜设计参数进行优化，以实现更高的光学性能和能量利用效率。
四、柱面菲涅耳太阳聚光透镜的光学效率评估1. 光学聚光效果评估光学效率的评估主要包括聚光效果、光子集中度等指标，通过实际测试和数值仿真，可以评估透镜的聚光性能和光学聚光效果，验证设计参数的合理性和优化结果的有效性。
长焦距离轴三反射式光学系统设计
（＋—ｆ １ ｆ）￣ ｌｌ １
２１ ， ａ ， 、 ’
（） ３
（） ４
一可
统 。 这种 离轴 的光 学 系 统 可 以 消 除 同轴 光 学 系 统 存 在 的 中心遮 拦 问题 。所 以 ， 轴三 反 射式 光 学 系 离
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔｈｓ ｒｉｌ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｔ ｅ ｅ ｉｎ ｎ ｒ ｃ ｓ ｆ ａ ｌ ｎ ｏ ａ ｅ ｇ ｈ ａ ｄ ｕ ｃ ａ ｉｌ ｔ ｒ ｅ ｓｒｃ： ｉ ａ ｔ ｅ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｈ ｄ ｓｇ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｏ ｏ ｇ ｆ ｃ ｌ ｌｎ ｔ ｃ ｎ ｎ ｏ ｘ ａ ｈ ｅ —ｍｉ ｏ ｅ ｅ ｔ ｅ ｓ ｓ ｒ ｒ ｒｆ ｃｉ ｙ — ｒ ｌ ｖ
线从左方入射 ， 次经主镜 、 依 副镜 和 三镜 的反 射 到
达像面。
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除 了满 足 系统 焦 距 、 差 、 差 、 散 、 曲等 系统 球 彗 像 场
收稿 日期 ：２ １－１ －１ ０１ ０ ８
作者简介 ：王路 （９ ５ ，男 ，硕士研究生 ，主要从事光学系统设计方面的研 究，Ｅ １ ８ 一） —ｍａｌ ｉ ：ｗａｇｕ ７ ＠１３ｔ ｍ。 ｎ ｌ０ ９ ６ ． ｏ 通讯作者 ：王春艳 （９ １ ，女 ，博士 ，教授 ，主要从事光学设计和光电检测方 面的技术研究 。 １ ７ 一）
关于自由曲面离轴反射式光学系统设计
关于自由曲面离轴反射式光学系统设计以往的自由曲面光学系统设计的自由度都比较多、像差大，不过由于科技的不断进步和完善，使得如今的光学系统设计越来越高超和先进，特别是自由曲面离轴反射式光学系统，具有很多的优势。
把自由曲面和反射式光学系统相结合，不仅能够设计出大视场以及小F数的离轴反射光学系统，而且还能有效地改善光学系统设计，由此本文便对自由曲面离轴反射式光学系统设计进行了探究，以更加优化光学系统。
标签：自由曲面；离轴反射式光学系统；设计如今离轴反射式光学系统是光学系统设计的重要部分。
因为离轴反射式光学系统无中心点遮挡，光能的使用率又强，同时可在宽波段中运行，反射式结构其成像不需要校正色差，所以就能借助设计变量来平衡像差。
另外，反射式光学系统还可以充分的折叠光路、缩短尺寸，所以极其符合轻量的设计要求，由此便导致了离轴反射式光学系统在现阶段的多光谱成像行业当中具有更加重要的地位。
虽然原先的离轴反射式光学系统仍具有很多的问题，像视场小、结构简单等，不过为解决这些问题，我们在不改变系统孔径的前提下，充分的增强离轴光学系统的成像效果。
一、自由曲面离轴反射式光学系统设计原理对于具有自由曲面的光学系统来说，对其设计方面具有极大影响的内容包括三个方面，即面形描述（反射镜形状）、像差分析以及像质的评价方法的选取。
对于面形描述法来说，只有采用科学的自由曲面面形描述法，才能全面增强面形的准确性，并提升软件设计的优化率；对于像差分析法来说，只有采用适当的分析方法，才能使像差校正有序进行，而且优化设计的结果；对于像质的评价法来说，只有合理的评价方法，才能真正发挥出系统的良好属性，精确找到系统的优化节点。
而本文主要比较了目前最为普遍的自由曲面描述法，采用了XY多项式的自由曲面当作设计的面形，同时采用了矢量像差理论来研究自由曲面离轴反射式光学系统的像差属性，最后简单的论述出评价大像差系成像质量的良好方法。
（一）光学自由曲面的描述法通常自由曲面的面形结构都较为繁琐，而且自由度大，截至到现在还未有标准的数学表达式，所以就将带有非旋转对称性的光学面形统称作光学自由曲面，其在描述光学自由曲面上也极其的丰富化。
用于空间的三反射镜光学系统设计
用于空间的三反射镜光学系统设计刘国钰【期刊名称】《物联网技术》【年(卷),期】2013(3)4【摘要】现代空间光学的发展需要很大的线视场、像质接近衍射极限或很大相对口径的无中心遮拦反射系统。
能满足这些要求的非三反射系统莫属，虽然现在已有功能十分齐全的光学系统自动优化软件，但求出一个合理的初始结构尺寸还是十分重要的。
文章主要探讨了用于空间的三反射镜光学系统设计方法。
%In the field of modern space optics, the reflection system is required to have large line FOV, image quality close to the diffraction limit and large relative aperture, but have no central obscuration. Only three-mirror reflection system can meet these requirements. Although there is automatic optimization software of optical system, which has complete function, it is still very important to determine a reasonable initial structure size. The design method of three-mirror optical system for space field is mainly discussed here.【总页数】2页(P52-53)【作者】刘国钰【作者单位】辽宁装备制造职业技术学院，辽宁沈阳 110161【正文语种】中文【中图分类】TH703【相关文献】1.紧凑型四反射镜光学系统设计 [J], 陈建发;王合龙;刘欣;潘枝峰2.用于海洋成像仪的离轴三反主光学系统设计 [J], 郑国宪;许士文3.致冷型二次成像离轴三反射镜光学系统设计 [J], 姜晰文;崔庆丰4.离轴四反射镜衍射成像光学系统设计 [J], 何传王; 汪利华; 黄鹏; 董小春; 范斌5.圆周式无遮拦三反射镜光学系统设计 [J], 朱浩;崔庆丰;朴明旭;赵春竹因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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第28卷 第7期光 学 学 报Vol.28,No.72008年7月ACTA OP TICA SINICAJ uly ,2008文章编号:025322239(2008)0721359205三反射式柱面光学系统设计及优化梁敏勇 廖宁放 冯 洁 林 宇 崔德琪(北京理工大学信息科学技术学院颜色科学与工程国家专业实验室,北京100081)摘要 针对传统单片柱透镜和柱面反射镜成像光束不理想以及视场通常小于1°,提出并设计了一种三反射式柱面结构。
对柱面光线追迹及单片柱面镜成像进行了深入分析,分别设计了三反射式圆柱面和二次曲线柱面系统,提出了一种基于抛物柱面镜理想线聚焦的新型像差优化方法,使其在子午面方向各视场调制传递函数得到最佳优化,并达到成像光谱仪等在狭缝方向上高空间分辨率要求。
其子午面总视场均达到了3°,在45lp/mm 分辨率条件下,边缘视场子午面方向的调制传递函数分别优于0.2和0.6。
关键词 光学设计;三反射式柱面;线聚焦;光线追迹;二次曲线柱面中图分类号 O433.1 文献标识码 A doi :10.3788/AOS20082807.1359Des i g n a n d Op t i miz a t i on of Th ree Cyli n d rical Ref lect ors Op t ical S ys t e mLiang Minyong Liao Ningfang Feng J ie Lin Yu Cui Deqi(Nat ion al L abor ator y of Color Scie nce a n d Engi neeri ng ,School of I nf or m a tion Science a n d Tech nology ,Beiji ng I nstit ute of Tech nology ,Beiji ng 100081,Chi n a )Abs t r act A single cylindrical reflector usually has defects of distortional imaging beam and limited field of view usually less than 1°.A three cylindrical reflectors system is p resented to overcome these defects.Based on the ray t racing of cylindrical reflector ,a three circularly cylindrical reflectors and a three conic 2cylindrical reflectorssystem have been designed.The f ull field of view (FOV )has reached 3°in tangential plane ;on the edge of FOV ,the modulation t ransfer f unction (M TF )of the former design at 45lp/mm is better than 0.2and the latter is better than0.6.A new optimization method using parabolic 2cylindrical reflector is p resented.This method can be used to optimize the M TF in tangential plane ,and the final M TF satisfies the requirement of the high spatial resolution in imaging spect rometer field.Key w or ds optical design ;three cylindrical reflectors ;line focusing ;ray t racing ;conic 2cylindrical reflector 收稿日期:2007210211;收到修改稿日期:2008201215基金项目:国家863计划(2006AA12Z124)和国家自然科学基金(60377042)资助课题。
作者简介:梁敏勇(1981-),男,博士研究生,主要从事成像光谱技术、高光谱技术等方面的研究。
E 2mail :L my @导师简介:廖宁放(1960-),男,教授,博士生导师,主要从事成像光谱技术、颜色与图像技术等方面的研究。
E 2mail :Liaonf @1 引 言随着光学加工工艺的日益发展,包含各种新型光学表面的光学系统不断涌现。
柱面光学面形结构已广泛应用到各种光学系统中。
例如在宽银幕电影的摄影镜头和放映镜头中,在希望获得变形图像(影像在两个相互垂直的方向上具有不同的缩放比例)等实用场合,都可以采用圆柱面透镜或圆柱面反射镜系统。
在需要进行长狭缝聚光的仪器中和一些激光应用中,需要把圆激光束变换成线光束,例如激光柱面波干涉仪、光切法三维面形测量、X 射线激光线聚焦等[1～5]。
此外,在遥感领域的推扫型成像光谱仪光路系统中,包括萨尼亚克(Sagnac )透射型[6]和菲涅耳全反射型傅里叶成像光谱仪[7],高通量干涉型计算层析成像光谱仪光路中也使用柱面光学系统实现投影功能[8,9]。
柱面系统成像性能的优劣直接影响成像光谱仪系统的空间分辨率[10]。
针对传统单片柱透镜和柱面反射镜的成像光束不能产生理想线聚焦[11],且视场小等缺点,本文提光 学 学 报28卷出并设计了一种三反射式柱面光学系统,对其子午方向的成像性能进行了深入分析;针对其线聚焦的特点,提出了基于抛物[12,13]柱面平行光理想线聚焦原理的一种新型像差优化方法,使其在子午方向各个视场的调制传递函数(Modulation t ransfer f unction ,M TF )得到大幅度优化,使之符合成像光谱仪等在一维狭缝方向上高空间分辨率成像要求。
图1柱面反射光线矢量追迹图Fig.1Vector ray tracing of cylinder reflector2 柱面反射光线追迹分析以圆柱反射面光线追迹为例,如图1所示,在圆柱面顶点O 1建立右手直角坐标系,使O X 轴与圆柱面S 1母线平行,以O Y Z 为坐标面的子午截面。
这样,若圆柱面的曲率半径为r 时,用与O Y Z 坐标面平行的任意平面去截圆柱面时,所得截线皆是圆心在O Y Z 平面内、半径为r 的圆。
在物面O X Y 上有点P (X ,Y ,Z )沿矢量Q (α,β,γ)(α,β,γ分别为单位矢量与X ,Y ,Z 轴所成的角度)方向发出一光线,为了由点p 和矢量Q 求出光线在圆柱面S 1上的投射点p 1(X 1,Y 1,Z 1),令P (X i ,Y j ,Z k )为物面O 点到p 点的位置向量;P 1(X 1i ,Y 1j ,Z 1k )为柱面顶O 1到投射点p 1点的位置向量;M (M x ,M y ,M z )为由O 1到所作的与光线垂直的向量,其垂足将光线在两表面间的线段D =p p 1分成b 和Δ两部分;T (r ,Y 1,0)为由O 1向C 1(p 1点所对应的曲率中心)所引的辅助向量;N (αN ,βN ,γN )为p 1点处圆柱面的法线单位向量;d 为顶点O 和O 1之间的距离。
向量之间的关系为P +b Q =d k +M ,(1)式中k 为Z 轴方向的单位矢量。
由(1)式可将向量M 写成分量形式:M x =X +b α,M y =Y +b β,M z =Z +bγ-d ,(2)P 1向量可表示为两种形式:P 1=M +QΔ, P 1=T -r N ,(3)求解(3)式可得Δ,再结合所求出的M 向量可以得到光线与圆柱面交点p 1的坐标为X 1=X +αD ,Y 1=Y +βD ,Z 1=Z -d +γD ,(4)在所确定的坐标系中,圆柱面的表达式为F (X 1,Y 1,Z 1)=X 21+Z 21+2rZ 1=0,(5)则可求出p 1点的法向量单位矢量N ,αN =5F/5X 12r =-cX 1,βN =5F/5Y 12r =0,γN =5F/5Z 12r=1-cZ 1,(6)式中c 为p 1点的曲率,c =1/r 。
令所追迹光线的入射角为I ,对于反射光线有QN =-Q 1N ,cos I =ααN +γγN ,(7)由(6)式,(7)式可得反射光线的方向余弦角度为α1=-α+2αN co s I ,β1=-β,γ1=-γ+2γN cos I ,(8)至此,完成了反射圆柱面实际光线的追迹。
当柱面方程为其他二次曲面等时,即(5)式有不同的表达式,但仍可通过相同的方法来追迹反射光线。
3 三反柱面系统设计及优化3.1 单片柱面反射镜分析柱面镜只在一个方向上有曲率,通过对柱面反射镜光线矢量追迹可知,对平行光束,截面的一个维度方向有会聚或发散作用如图1所示的Y 轴方向(子午面),而对如图1所示的X 轴方向(弧矢面)不起任何作用。
传统单片柱透镜和柱面反射镜,通常因为球差的原因而产生“船形”光斑而非线聚焦的理想光斑,且有视场小等缺点,如图2所示。
由于柱面镜平行母线方向不成像的特点,不能通过传统分辨率标准板对其成像特性进行测试分析。
故在物平面上放置一幅条纹平行于母线方向的分辨率测试板,通过单片离轴柱面反射镜对其进行成像分析,成像效果如图3所示。
从图3可见,柱面反射镜只对子午面方向条纹成像。
该柱面镜线焦距为100mm ,在子午面半视场为6317期梁敏勇等: 三反射式柱面光学系统设计及优化图2柱面成像过程及其点列图Fig.2Cylindrical reflector imaging and spotdiagram图3单片柱面反射镜成像效果测试Fig.3Single cylindrical reflector imaging test0.3°,分辨率为40lp/mm 时子午面调制传递函数下降到0.1左右,充分说明了单柱面反射系统视场小,边缘光线成像不理想的特点。
单片反射镜球差很难校正,需要多片反射镜组合才有可能得到校正,另一方面多片结构还可以实现柱面反射系统子午方向的宽视场。
3.2 基于抛物柱面优化方法相对于传统球面共轴系统,柱面系统像差没有旋转对称性。
在优化理论与优化技术上,流行的阻尼最小二乘法和适应法在应用于柱面光学系统时出现了严重的困难,因选择像差基点、像面位置和方向如何确定都需要重新考虑。