第３５卷第３期２０１４年５月应 用 光 学
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ ＯｐｔｉｃｓＶｏｌ．３５Ｎｏ．３
Ｍａｙ
２０１４文章编号：１００２－２０８２（２０１４）０３－０５１０－
０５收稿日期：２０１３－１０－１２； 修回日期：
２０１３－１１－２８基金项目：国家自然科学基金（６１１０８０４４），吉林省自然科学基金（２０１２１５１３１
）作者简介：付跃刚（１９７２－），男，吉林人，教授，博士生导师，主要从事光学设计及检测技术方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：Ｆｕｙｇ
＠ｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ宽谱段红外消热差光学系统设计
付跃刚，
黄蕴涵，刘智颖（长春理工大学测控分析中心，吉林长春１３００２２
）摘 要：宽谱段红外光学系统可以获取宽谱段的图像信息并增大目标信息获取程度。从红外光学系统的简洁性出发，对红外光学系统进行设计，系统仅由４片球面透镜组成，实现了４．４μｍ～
８．８μｍ波段清晰成像，Ｆ＃为２．６８，达到了１００％的冷光阑效应。采用被动消热差方式通过合理选择镜片材料及公式推导最终实现了各个波段内的消热差，镜筒材料为钛合金，透镜采用硒化锌（ＺｎＳｅ），锗（Ｇｅ）及硫化锌（ＺｎＳ）材料，给出２０ｌｐ／ｍｍ处系统在各个波段在－４０℃～６０℃的工作温度下的调制传递函数（ＭＴＦ），以及各个波段下的光学系统畸变值。实验结果表明：设计的宽谱段红外光学系统结构简单，满足设计要求。关键词：宽谱段；红外；消热差；光学设计
中图分类号：ＴＮ２０２；ＴＨ７０３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１４３５．０３０６００１
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｔｈｅｒｍａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙ
ｓｔｅｍＦＵ Ｙｕｅ－ｇａｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｙｕｎ－ｈａｎ，ＬＩＵ Ｚｈｉ－ｙｉｎｇ
（Ｔｅｓｔ，Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｃｅｎｔｒｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｍｕｌｔｉ－ｂａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｔｒａｃｋ ｔｈｅ ｂａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇｆｒｏｍ ｍｉｄ－ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｏ ｌｏｎｇ－ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｃ－ｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ａ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｍｕｌｔｉ－ｂａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ４ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｌｅｎｓｅｓ ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｃｔ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｉｍａｇｅ ｃｌｅａｒｌｙ
ａｔ ４．４μｍ～８．８μｍ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｌｙ，ｔｈｅ Ｆ＃ｗａｓ ２．６８ｗｈｉｃｈ ｓｔｒｉｃｔｌｙ ｍａｔｃｈｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｌｄ ｌｉｇｈｔ ｂａｒ ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｌｄ ｌｉｇｈｔ ｂａｒｅｆｆｅｃｔ ｒｅａｃｈｅｄ １００％．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｐａｓｓｉｖｅ ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｇｅｔ ｒｉｄ ｏｆ ｔｅｍ－ｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｒｅａｌｉｚｅｄ ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂａｎｄｓｔｈｒｏｕｇｈ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｅｎｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｆｏｒｍｕｌａ ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｗａｓ ｍａｄｅ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌ－ｌｏｙ，ｔｈｅ ｌｅｎｓ ｗａｓ ｍａｄｅ ｏｆ ＺｎＳｅ，Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ａｎｄ ＺｎＳ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｔｉｏｎ（ＭＴＦ）ａｔ ４０℃ｔｏ ６０℃ｗａｓ ｇｉｖｅｎ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ｅｖｅｒｙ ｗａｖｅｂａｎｄｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｉｍｐｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅ－ｍｅｎｔｓ ｏｆ ａ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇ
ｅｒ．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｗｉｄｅ ｂａｎｄ；ｉｎｆｒａｒｅｄ；ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ引言
红外光学系统在现代目标识别与探索领域具有不可替代的作用。跨越连续红外波段探测器的出现，扩大了对不同类型目标的探测能力，这样可
以在不同探测环境下使用同一光学系统对不同目标进行探测、识别。本文设计的宽谱段红外消热差光学系统在红外成像领域具有很大应用前景。
设计的中长波红外消热差光学系统采用法国
应用光学 ２０１４，３５（３） 付跃刚，
等：宽谱段红外消热差光学系统设计Ｓｏｆｒａｄｉｒ公司研制的面阵规格为３８４×２８８，像元间距为２μｍ的双色量子阱探测器作为接收器，工作波段为４．４μｍ～８．８μｍ，视场为３°×２．２５°
，Ｆ＃与制冷探测器冷阑匹配为２．６８，焦距为１８３ｍｍ。为了实现可加工性，所有面型皆为球面，通过对透镜形式的合理选择，透镜之间的合理搭配，最终设计的光学系统成像质量良好，环境适应性强。
１ 设计思路
一般来说，红外光学系统的波段跨度为μｍ级别，因此，在跨波段范围内玻璃的折射率将会发生相对较大的改变，通常由于折射率的改变会带来像面的改变，而像面要保证成像质量好，必须随之变换。同时，在温度变化下，由于热膨胀的影响，材料的形状将会发生改变，进而光线的偏折发生影响，像面像质都会受到影响。因此如何在温度变化以及波段变化的条件下均保证像面稳定且像质良好，是本设计的一个难点。同时，由于采用了制冷探测器，光学系统光阑置于后方，这样会带来
彗差等轴外像差的问题［
１－
２］，这对像差校正也带来一定的难度。
冷光阑示意图如图１所示。红外光学系统采用制冷光阑作为探测器接受目标时，制冷探测器的冷阑将作为整个光学系统的孔径光阑，起到限
制光束的作用［
３］
。图１ 制冷探测器示意图
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇ
ｒａｍ ｏｆ ｃｏｏｌｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ采用制冷探测器的光学系统必须考虑冷光阑的匹配问题，如图２所示。从图２可以看出，当光线像方Ｆ数小于冷光阑所对应的Ｆ数时，将会有杂散光进入到探测器的像面上，对成像像质造成负面影响。所以，在使用制冷探测器时，光学系统的像方Ｆ数应严格与冷光阑所对应的Ｆ
数相等［
４］
。光学被动消热差是指在满足系统成像质量要求的同时，利用热膨胀系数之间的差异，合理地分
配光焦度，并使光学系统像面产生的离焦，由镜筒
材料产生的离焦相互补偿［
５－
８］，即：Φ１＋Φ２＋Φ３＋Φ４＝Φ
（１）χ１Φ１＋χ２Φ２＋χ３Φ３＋χ
４Φ４＝αＬＬ（２）Φ１ｖ１ Ｘ＋Φ２ｖ２ Ｘ＋Φ３ｖ３ Ｘ＋Φ４
ｖ４ Ｘ＝０（３）Φ１ｖ１Ｙ＋Φ２ｖ２Ｙ＋Φ３ｖ３Ｙ＋Φ４
ｖ４Ｙ＝０（４）Φ１ｖ１Ｚ＋Φ２ｖ２Ｚ＋Φ３ｖ３Ｚ＋Φ４
ｖ４Ｚ
＝０（５
）图２ 冷光阑匹配Ｆｉｇ．２ Ｃｏｌｄ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ
（１）式中Φｉ（
ｉ＝１～４）表示第ｉ块透镜所具备的光焦度大小，保证整体光焦度。公式（２）中χｉ为各种玻璃材料的热膨胀系数，为保证温度变化下系统不产生离焦，玻璃透镜的热膨胀系数在红外
连续波段内变化很小［
９］，但色差系数变化很大［１０］
。所以，色差应该在各个波段内单独校正。为保证光学系统在各个波段下消除色差，像质保持稳定，
以下公式中ｖｉＸ，ｖｉＹ，ｖｉＺ（ｉ＝１～４）分别代表第ｉ块玻璃在４．４μｍ～５．４μｍ、５．４μｍ～６．４μｍ、６．４μｍ～８．８μｍ各个波段中的色差系数。其表达式如下：
ｖｉＸ＝
ｎｉ
（４．９）－１ｎｉ（４．４）－ｎｉ（５．４）（６）ｖｉＹ＝
ｎｉ（５．９）－
１ｎｉ（５．４）－ｎｉ（６．４）（７）ｖｉ
Ｚ＝ｎｉ
（７．６）－１ｎｉ（６．４）－ｎｉ（８．８）
（８
）（６）式～（８）式中，ｎｉ（ｎｕｍｂｅｒ
）（ｉ＝１～４）为第ｉ块·１１
５·
应用光学 ２０１４，３５（３） 付跃刚，
等：宽谱段红外消热差光学系统设计玻璃在波段为ｎｕｍｂｅｒ处所具备的折射率。
根据（１）式～（７）式可以合理地选择玻璃材料，得到对应于每块透镜的初始光焦度，以及合理
的光学设计初始结构［
１１］
。１．１ 设计指标
系统指标见表１所示。
表１ 设计指标
Ｔａｂｌｅ １ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇ
ｎ参数数值光谱范围／μｍ ４．４～８．８像面大小／ｍｍ ９．５ＦＯＶ／（°）３×２．２５有效焦距／ｍｍ
１８３Ｆ
＃
２．６８光谱范围／μｍ ４．４～８．８工作温度／℃
－４０～＋６０
２ 设计结果及分析
根据技术指标要求，以及计算所得的初始结构，结合ＺＥＭＡＸ光学软件对光学系统进行设
计［
１２－
１４］，并分析不同温度下的像质。宽谱段消热差红外透镜的最终设计结果如图３所示。整个系统仅由４片透镜组成，
镜筒材料为钛合金，透镜主要由硒化锌（ＺｎＳｅ），锗（Ｇｅ）及硫化锌（ＺｎＳ）材料组成，系统采用全球面，避免了非球
图３ 光学系统设计结果Ｆｉｇ．３ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙ
ｓｔｅｍ面的使用，最大元件口径１３４ｍｍ，总长１９７．１２８ｍｍ。工作时Ｆ数保持不变，时刻保证冷光阑匹配。
经过优化设计，系统在各个波段在－４０℃～＋６０℃温度下像面稳定，成像质量优良。图４、图５、图６分别为各个波段下不同温度的光学调制函数曲线。图４～图６中传递函数曲线为２０℃、－４０℃、－１０℃、６０℃的情况。
中波红外波段系统在２０ｌｐ／ｍｍ处轴上各温度下的传递函数为０．５５、０．５２、０．５６、０．５５，边缘处分别为０．４６、０．４４、０．４８、０．４７。
长波红外波段系统在２０ｌｐ／ｍｍ处轴上各温度下的传递函数为０．４１、０．３９、０．４２、０．４０，边缘处分别为０．３５、０．３４、０．３６、０．３７。
以上数值均满足环境适应性及像质要求。表２为各个波段下的光学系统畸变情况，由表２可知，
光学系统在各个波段的畸变差异极小，对系统成像质量影响不大
。
图４ ＭＴＦｓ ｏｆ ４．４μｍ～５．４μｍＦｉｇ
．４ ＭＴＦｓ ｏｆ ４．４μｍ～５．４μｍ·２１
５·
应用光学 ２０１４，３５（３） 付跃刚，
等：
宽谱段红外消热差光学系统设计图５ ＭＴＦｓ ｏｆ ５．４μｍ～６．４μｍＦｉｇ
．５ ＭＴＦｓ ｏｆ ５．４μｍ～６．４μ
ｍ图６ ＭＴＦｓ ｏｆ ６．４μｍ～８．８μｍＦｉｇ
．６ ＭＴＦｓ ｏｆ ６．４μｍ～８．８μｍ表２ 畸变数值列表
Ｔａｂｌｅ ２ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ
ｖａｌｕｅ波段／μｍ畸变数值／％４．４～５．４ ０．３３６５．４～６．４ ０．４２８６．４～８．８
０．２１３
３ 结论
通过理论分析与推导，结合被动消热差理论，通过合理地选择透镜结构及透镜相对位置，最终设计出了一款针对Ｓｏｆｒａｄｉｒ公司研制的双色量子阱红外焦平面探测器的红外宽谱段被动消热差光学系统。Ｆ＃为２．６８，
并与冷光阑相匹配，可实现·
３１５·
应用光学 ２０１４，３５（３） 付跃刚，等：宽谱段红外消热差光学系统设计
在４．４μｍ～８．８μｍ波段－４０℃～＋６０℃范围内良好的成像。光学系统并未采用非球面，减少了加工的难度，具有结构简单，易于加工的优点，适用于导航，探测，搜索等工作中。
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（５）：８３３－８３７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）［１４］ 白瑜，杨建峰，马小龙，等．红外３．７μｍ～４．８μｍ波段折射／衍射光学系统的消热差设计［Ｊ］．光子学
报，２００９，３８（９）：２２６１－２２６４．
ＢＡＩ Ｙｕ，ＹＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｆｅｎｇ，ＭＡ Ｘｉａｏ－ｌｏｎｇ，ｅｔ ａｌ．
Ａｎ ａｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｈｙｂｒｉｄ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ／ｒｅ－
ｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ３．７μｍ～４．８μｍ［Ｊ］．Ａｃ－
ｔａ Ｐｈｏｔｏｎｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２００９，３８（９）：２２６１－２２６４．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
·
４
１
５
·
第一章 3、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小得像,若将屏拉远50mm,则像得大小变为70mm,求屏到针孔得初始距离。 解:在同种均匀介质空间中光线直线传播,如果选定经过节点得光线则方向不变,令屏到针孔得初始距离为x,则可以根据三角形相似得出: 所以x=300mm 即屏到针孔得初始距离为300mm。 4、一厚度为200mm得平行平板玻璃(设n=1、5),下面放一直 径为1mm得金属片。若在玻璃板上盖一圆形得纸片,要求在玻璃板上方任何方向上都瞧不到该金属片,问纸片得最小直径应为多少？ 解:位于光纤入射端面,满足由空气入射到光纤芯中,应用折射定律则有: n0sinI1=n2sinI2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层得时候满足全反射,使得光束可以在光纤内传播,则有: (2) 由(1)式与(2)式联立得到n0、
16、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1、5得玻璃球上,求其会聚点得位置。 如果在凸面镀反射膜,其会聚点应在何处？如果在凹面镀反射膜,则反射光束在玻璃中得会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后,会聚点又在何处？说明各会聚点得虚实。 解:该题可以应用单个折射面得高斯公式来解决, 设凸面为第一面,凹面为第二面。 (1)首先考虑光束射入玻璃球第一面时得状态,使用高斯公 式: 会聚点位于第二面后15mm处。 (2) 将第一面镀膜,就相当于凸面镜 像位于第一面得右侧,只就 是延长线得交点,因此就是虚像。 还可以用β正负判断: (3)光线经过第一面折射:, 虚像 第二面镀膜,则:
得到: (4) 在经过第一面折射 物像相反为虚像。 18、一直径为400mm,折射率为1、5得玻璃球中有两个小气泡,一个位于球心,另一个位于1 ／2半径处。沿两气泡连线方向在球两边观察,问瞧到得气泡在何处？如果在水中观察,瞧到得气泡又在何处？ 解: 设一个气泡在中心处,另一个在第二面与中心之间。 (1)从第一面向第二面瞧 (2)从第二面向第一面瞧 (3)在水中
光学系统设计（一） 参考答案及评分标准 20 分） 二、填空题（本大题14小题。每空1分，共20 分） 21.球心处、顶点处、齐明点处（r n n n L '+=） 22.%100y y y q z ?''-'=' 23.0 24.球差 25.冕牌、火石 26.?ννν?2111-=、?ννν?2 122--= 27.两面的公共球心处、两面的公共球心处 28.阿贝常数、C F D D n n 1n --= ν 29.畸变 30.圆 31.0 32.二级光谱 33.f 00052.0L FCD '='? 34.EFFL 三、名词解释（本大题共5 小题。每小题2 分，共 10 分） 35．像差：实际光学系统所成的像和近轴区所成的像之间的差异称为像差。 评分标准：主要意思正确得2分。 36．子午场曲：某一视场的子午像点相对于高斯像面的距离称为子午像面弯曲，简称子午场曲。 评分标准：答对主要意思得2分。 37．二级光谱：如果光学系统已对两种色光校正了位置色差，这两种色光的公共像点相对于第三种色光的像点位置仍有差异，该差异称为二级光谱。 评分标准：答对主要意思得2分。 38.色球差：F 光的球差和C 光的球差之差，称为色球差，该差值也等于边缘光和近轴光色差之差。 评分标准：答对得2分。 39．渐晕：轴外点成像光束的宽度较轴上点成像光束的宽度要小，造成像平面边缘部分照度要比像平面中心部分照度低的现象，称为渐晕。 评分标准：答对主要意思得2分。
四、简答题（本大题共 6 小题。每小题 5 分，共30 分） 40．一物体的峰-谷比（peak to valley ）是λ23.0，问是否满足Rayleigh 条件？ 答：满足Rayleigh 条件，因为根据Rayleigh 判断，实际波面和参考波面之间的最大波像差(峰谷比)不超过0.25λ时，此波面可看作是无缺陷的成像质量较好。 评分标准：答对主要意思得5分。 41．在七种几何像差中，仅与孔径有关的像差有哪些？仅与视场有关的像差有哪些？与视场和孔径都有关系的又有哪些？ 答：仅与孔径有关的像差有：球差、位置色差；仅与视场有关的像差有：像散、场曲、畸变、倍率色差；与视场和孔径都有关系的有：彗差 评分标准：第一问中每个答案正确得1分，第二问中每个答案正确得0.5分，第三问中每个答案正确得1分。 42．一物体置于折射球面的球心处，其像在哪？放大倍率多少？若物在球面顶点，其像又在何位置？放大倍率多少？ 答：像分别在球心处和顶点处，放大倍率分别为n 1和1。 评分标准：两位置答对各得1分，第一个放大倍率答对得2分，第二个得1分。 43. 什么是焦深，若像面向前或向后离焦半倍焦深，引起的波像差多大？ 答：（1）实际像点无论在高斯像点之前或之后'?0l 范围内，波像差都不会超过1/4 波长，所以把'02l 定义为焦深，即20u n l 2''='λ （2）引起的波像差为4/λ。 评分标准：第一问答对大意得3分，第二问答案正确得2分。 44. 近视眼应佩戴何种透镜加以矫正？为什么？ 答：应佩戴凹透镜加以矫正，使光线经过水晶体后发散，重新汇聚到视网膜上。 评分标准：答对大意得5分。 45. 在对称式光学系统中，当1-=β时，哪几种初级像差可以得到自动校正？其它初级像差有何特性？ 答：垂轴像差：彗差、畸变、倍率色差均为0。 轴向像差：球差、像散、场曲、位置色差均为半部系统相应像差的两倍。 评分标准：第一问每个答案正确得1分，共3分；第二问每个答案正确得0.5分，共2分。 五、计算题（每题10分，共20分） 46．设计一齐明透镜，第一面曲率半径95m m r 1-=，物点位于第一面曲率中心处，第二球面满足启明条件，若该透镜厚度5mm d =，折射率5.1n =，该透镜位于空气中，求 （1）该透镜第二面的曲率半径； （2）该启明透镜的垂轴放大率。 解： （1）根据题意得，物点发出光线经第一面后按直线传播，相对于第二面，其物距100m m 595l 2-=--=，根据齐明条件100mm r n n n l 22 222-='+=，可得
第一章 2、已知真空中的光速c ＝3*108m/s ，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的 光速。 解： 则当光在水中，n=1.333 时，v=2.25*108m/s, 当光在冕牌玻璃中，n=1.51 时，v=1.99*108m/s, 当光在火石玻璃中，n ＝1.65 时，v=1.82*108m/s ， 当光在加拿大树胶中，n=1.526 时，v=1.97*108m/s ， 当光在金刚石中，n=2.417 时，v=1.24*108m/s 。 3、一物体经针孔相机在屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm ，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向 不变，令屏到针孔的初始距离为x ，则可以根据三角形相似得出： 所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm 。 4、一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm 的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？ 解：令纸片最小半径为x, 则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。而全反射临界角求取方法为： (1) 其中n2=1, n1=1.5, 同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为： (2) 联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm ， 所以纸片最小直径为358.77mm 。 8、.光纤芯的折射率为1n ，包层的折射率为2n ，光纤所在介质的折射率为0n ，求光纤的数值孔径（即10sin I n ，其中1I 为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。 解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n 0sinI 1=n 2sinI 2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有：
光学设计软件介绍 ZEMAX是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Sequential及Non-Sequential的软件。版本等级有SE：标准版，XE：完整版，EE：专业版（可运算Non-Sequential），是将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。ZEMAX的主要特色：分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP, *.JPG．．．等，也可存成文字文件*.txt；优化：表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用；公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义；报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。 CODE V是Optical Research Associates推出的大型光学设计软件，功能非常强大，价格相当昂贵CODE V提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光束追迹、衍射光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透过率计算、一维物体成像模拟等多种独有的分析计算功能。是世界上应用的最广泛的光学设计和分析软件，近三十多年来，Code V进行了一系列的改进和创新，包括：变焦结构优化和分析；环境热量分析；MTF和RMS波阵面基础公差分析；用户自定义优化；干涉和光学校正、准直；非连续建模；矢量衍射计算包括了偏振；全球综合优化光学设计方法。 CODE V是美国著名的Optical Research Associates（ORA?）公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。自1963年起，该公司属下数十名工程技术人员已在CODE V程序的研制中投入了40余年的心血，使其成为世界上分析功能最全、优化功能最强的光学软件，为各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广泛采用1994年，ORA公司聘请北京理工大学光电工程系为其中国服务中心。与国际上其它商业性光学软件相比，CODE V的优越性突出地表现在以下几个方面： 1．CODE V可以分析优化各种非对称非常规复杂光学系统。这类系统可带有三维偏心或倾斜的元件；各类特殊光学面如衍射光栅、全息或二元光学面、复杂非球面、以及用户自己定义的面型；梯度折射率材料和阵列透镜等等。程序的非顺序面光线追迹功能可以方便地
如何解析红外光谱图 一、预备知识 （1）根据分子式计算不饱和度公式： 不饱和度Ω＝n4+1+(n3-n1)/2其中： ：化合价为4价的原子个数（主要是C原子）， n 4 ：化合价为3价的原子个数（主要是N原子）， n 3 n ：化合价为1价的原子个数（主要是H,X原子） 1 （2）分析3300~2800cm-1区域C-H伸缩振动吸收；以3000 cm-1为界：高于3000cm-1为不饱和碳C-H伸缩振动吸收，有可能为烯，炔，芳香化合物；而低于3000cm-1一般为饱和C-H伸缩振动吸收； （3）若在稍高于3000cm-1有吸收,则应在 2250~1450cm-1频区，分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰，其中炔 2200~2100 cm-1，烯 1680~1640 cm-1 芳环 1600,1580,1500,1450 cm-1若已确定为烯或芳香化合物，则应进一步解析指纹区，即1000~650cm-1的频区，以确定取代基个数和位置（顺、反，邻、间、对）； （4）碳骨架类型确定后,再依据官能团特征吸收，判定化合物的官能团； （5）解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来，以准确判定官能团的存在,如2820，2720和1750~1700cm-1的三个峰，说明醛基的存在。 二、熟记健值 1.烷烃：C-H伸缩振动（3000-2850cm-1）C-H弯曲振动（1465-1340cm-1） 一般饱和烃C-H伸缩均在3000cm-1以下，接近3000cm-1的频率吸收。 2.烯烃：烯烃C-H伸缩（3100~3010cm-1），C=C伸缩(1675~1640 cm-1)，烯烃C-H 面外弯曲振动（1000~675cm-1）。 3.炔烃：炔烃C-H伸缩振动（3300cm-1附近），三键伸缩振动（2250~2100cm-1）。 4.芳烃：芳环上C-H伸缩振动3100~3000cm-1, C=C 骨架振动1600~1450cm-1, C-H 面外弯曲振动880~680cm-1。 芳烃重要特征：在1600，1580，1500和1450cm-1可能出现强度不等的4个峰。C-H面外弯曲振动吸收880~680cm-1，依苯环上取代基个数和位置不同而发生变化，在芳香化合物红外谱图分析中，常用判别异构体。
光学零件加工技术 邬建生 二 00 四年元月（整理） 目录 一、统研磨抛光与高速研磨抛光特点 二、准球心法和传统法比较 三、切削工序的要求 四、粗磨工序的要求 五、如何保持粗磨皿表曲率半径的精度 六、修磨皿的技巧 七、影响抛光的因素 八、抛光剂（研磨粉）的影响 九、研磨皮及选择十、传统加工要求十一、计算公式十二、光圈识别与修整措施十三、机床的选择十四、机床的调整十五、超声清洗原理十六、品质异常分析步骤十七、工艺规程的设计 光学零件的加工，分为热加工、冷加工和特种加工，热加工目前多采用于光学零件的坯料备制； 冷加工是以散粒磨料或固着磨料进行锯切、粗磨、精磨、抛光和定心磨边。 特种加工仅改变抛光表面的性能，而不改变光学零件的形状和尺寸，它包括镀膜、刻度、照相和胶合等。冷加工各工序的主要任务是： 粗磨（切削）工序：是使零件具有基本准确的几何形状和尺寸。精磨（粗磨）工序：是使零件加工到规定的尺寸和要求，作好抛光准备。抛光（精磨）工序：是使零件表面光亮并达到要求的光学精度。定心工序：是相对于光轴加工透镜的外圆。 胶合工序：是将不同的光学零件胶合在一起，使其达到光轴重合或按一定方向转折。 球面光学零件现行加工技术三大基本工序为： 1、范成法原理的铣磨（切削）
2、压力转移原理的高速粗磨 3、压力转移原理的高速抛光。 范成法原理的铣磨（切削），虽然加工效率较高，但其影响误差的因素较多，达到较高精度和较粗糙度较困难。压力转移原理的准球心高速粗磨和高速抛光，零件受力较均匀，加工效率也较高，但必须预先准确修整磨（模）具的面形，才能保证零件的面形精度。准确修整面形精度需要操作者的经验和技巧，而且需反复修整。 一、传统研磨与高速研磨特点 1. 传统研磨 传统研磨也叫古典研磨，它是一种历史悠久的加工方法 其主要特点是： （1）采用普通研磨机床或手工操作； （2）要求人员技术水平较高； （3）研磨材料多采用散砂（研磨砂）抛光沥青 （4）抛光剂是用氧化铈或氧化铁； （5）压力用加荷重方法实现虽然这种方法效率低 , 但加工精度较高所以，目前仍被采用。 2. 高速研磨抛光一般是指准球心法（或称弧线摆动法）。其主要特点是： （1）采用高速、高压和更有效的利用抛光模，大大提高了抛光效率 （2 ）压力头围绕球心做弧线摆动，工作压力始终指向球心，也是靠球模成型的。 3. 范成法 准球心法对机床的精度要求较低 , 加工方法和传统法相近，易于实现，用的较广；范成法对机床精度及调整要求较高，目前很少采用。 二、准球心法和传统法较 1. 准球心法
显微物镜光学参数要求为：β=2?，NA =0.1，共轭距离为195mm 。 1）根据几何光学计算相应参数； 2）运用初级像差理论进行光学系统初始结构计算； 3）使用光学设计软件对初始结构进行优化，要求视场角o 5±； 4）根据系统的特点列出优化后结构的主要像差分析； 5）计算优化后结构的二级光谱色差。 一、显微物镜的基本参数计算 为有效控制显微镜的共轭距离，显微镜设计时，一般总是逆光路设计，即按1/β进行设计。该显微物镜视场小，孔径不大，只需要校正球差、正弦差和位置色差。因此，采用双胶合物镜。 '''' 1 2 195111l l l l l l f β==- -=-= 解，得 ''6513043.33l l f ==-= 正向光路 根据 '' ' J nuy n u y == sin NA n u = 在近轴情况下 NA nu = ' 2y y β== 由此可求解 ''' 0.05NA n u == 由此可知逆向光路的数值孔径 综上，该显微物镜的基本参数为 NA 'f 'l l 0.05 43.33 65 130- 二、求解初始基本结构
1）确定基本像差参量 根据校正要求，令'0L δ=、'0SC =、' 0FC L ?=，即 0C S S S I ∏ I ===∑∑∑，即 43332220 00 z C S h P S h h P Jh W S h C φφφφI I ∏ I ===+===∑∑∑ 解，得 0P W C I === 将其规化到无穷远 11sin 0.1NA n u ==，11n = 则 11sin 0.1/2u U β=?=-，11 6.5h l u mm =?= 规化孔径角为 110.1 20.3333071 6.543.33 u u h φ-== =-? 由公式 () ()() 21141522P P W u W W u μμ∞∞ =++++=++可求得规化后的基本像差参量 代入可得 0.36560.8832 P W ∞∞ ==- 2）选择玻璃组合 取冕牌玻璃在前 得 ( ) 2 00.850.1 0.155792P P W ∞ ∞ =-+=- 根据0P 和C I ，查表选取相近的玻璃组合为BaK7-ZF3，其参数为 Bak7:56,5688.111==v n ZF3:5.29,7172.122==v n 0010.11520, 4.295252, 2.113207P Q ?=-=-= 2.397505A =， 1.698752K = 3）求形状系数Q
免费光学零件加工技术 目录 一、统研磨抛光与高速研磨抛光特点 二、准球心法和传统法比较 三、切削工序的要求 四、粗磨工序的要求 五、如何保持粗磨皿表曲率半径的精度 六、修磨皿的技巧 七、影响抛光的因素 八、抛光剂（研磨粉）的影响 九、研磨皮及选择 十、传统加工要求 十一、计算公式 十二、光圈识别与修整措施 十三、机床的选择 十四、机床的调整 十五、超声清洗原理 十六、品质异常分析步骤 十七、工艺规程的设计 序言 光学零件的加工，分为热加工、冷加工和特种加工，热加工目前多采用于光学零件的坯料备制； 冷加工是以散粒磨料或固着磨料进行锯切、粗磨、精磨、抛光和定心磨边。 特种加工仅改变抛光表面的性能，而不改变光学零件的形状和尺寸，它包括镀膜、刻度、照相和胶合等。冷加工各工序的主要任务是： 粗磨（切削）工序：是使零件具有基本准确的几何形状和尺寸。 精磨（粗磨）工序：是使零件加工到规定的尺寸和要求，作好抛光准备。 抛光（精磨）工序：是使零件表面光亮并达到要求的光学精度。 定心工序：是相对于光轴加工透镜的外圆。 胶合工序：是将不同的光学零件胶合在一起，使其达到光轴重合或按一定方向转折。 球面光学零件现行加工技术三大基本工序为： 1、范成法原理的铣磨（切削） 2、压力转移原理的高速粗磨 3、压力转移原理的高速抛光。 范成法原理的铣磨（切削），虽然加工效率较高，但其影响误差的因素较多，达到较高精度和较粗糙度较困难。压力转移原理的准球心高速粗磨和高速抛光，零件受力较均匀，加工效率也较高，但必须预先准确修整磨（模）具的面形，才能保证零件的面形精度。准确修整面形精度需要操作者的经验和技巧，而且需反复修整。
第一章 3、一物体经针孔相机在 屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm ，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变， 令屏到针孔的初始距离为x ，则可以根据三角形相似得出： 所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm 。 4、一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n =），下面放一直径为1mm 的金属片。若在玻璃板上盖一圆形的纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片的最小直径应为多少 2211sin sin I n I n = 66666.01 sin 2 2== n I 745356.066666.01cos 22=-=I 88.178745356 .066666 .0* 200*2002===tgI x mm x L 77.35812=+= 1mm I 1=90? n 1 n 2 200mm L I 2 x
8、.光纤芯的折射率为1n ，包层的折射率为2n ，光纤所在介质的折射率为0n ，求光纤的数 值孔径（即10sin I n ，其中1I 为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。 解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n 0sinI 1=n 2sinI 2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有： (2) 由（1）式和（2）式联立得到n 0 . 16、一束平行细光束入射到一半径r=30mm 、折射率n=的玻璃球上，求其会聚点的位置。如 果在凸面镀反射膜，其会聚点应在何处如果在凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点又在何处反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处说明各会聚点的虚实。 解：该题可以应用单个折射面的高斯公式来解决， 设凸面为第一面，凹面为第二面。 （1）首先考虑光束射入玻璃球第一面时的状态，使用高斯公式：
光学系统设计（Zemax初学手册） 蔡长青 ISUAL 计画团队 国立成功大学物理系 （第一版，1999年7月29日） 前言 整个中华卫星二号“红色精灵”科学酬载计画，其量测仪器基本上是个光学仪器。所以光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环。 这份初学手册提供初学者使用软体作光学系统设计练习，整个需要Zemax光学系统设计软体。它基本上是Zemax使用手册中tutorial的中文翻译，由蔡长青同学完成，并在Zemax E. E. 7.0上测试过。由于蔡长青同学不在参与“红色精灵”计画，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验，整个内容已在Zemax E. E. 8.0版上测试过。我们希望藉此初学手册（共有七个习作）与后续更多的习作与文件，使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。（陈志隆注） (回内容纲目) 习作一：单镜片(Singlet) 你将学到：启用Zemax，如何键入wavelength，lens data，产生ray fan，OPD，spot diagrams，定义thickness solve以及variables，执行简单光学设计最佳化。 设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7镜片来作。 首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置……等。 然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line 光谱。在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.486的位置，primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。 再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，在aper value上键入25，而aperture type被default为Entrance Pupil diameter。也就是说，entrance pupil的大小就是aperture的大小。 回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按滑鼠，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面 (surface)，于是在STO栏上，选取insert cifter，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ 为0，STO为1，而IMA为3。 再来如何输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接打上BK7即可。又
数字全息显微镜的光学系统设计 摘要 数字全息显微术是把数字全息和全息显微相结合，用CCD代替传统的全息干板来实现全息显微的过程。 本文通过理论的分析和计算，完成了以下工作： 1）在数字全息的方法上，介绍和比较了几种记录和再现的方法;并选择了无透镜傅里叶变换与同轴全息相结合的光路，可以最大利用CCD分辨率和简化光路。在系统光路中加入相移技术，消除零级和共轭像。 2）在1/2英寸CCD情况下，利用干涉仪原理设计出了基本光路;分析并选择了各个部件的具体参数;分析计算了系统中需要满足的条件。计算出在几种物镜预放大情况下，系统的分辨率和放大率。 在对微小物体做近距离显微时，本文的显微系统极限分辨率理论长度可以达到0.8μm左右。 关键词：全息术；数字全息显微；预放大技术。
Optical system design of digital holographic microscopy Abstract Digital holographic microscopy digital holography and holographic microscopy combined with CCD, instead of the traditional holographic plate to realize the process of holographic microscopy. In this paper, through the theoretical analysis and calculation, completed the following works: 1）Introduced and compared several recording and reproducing methods in the selection of digital holographic method，and chooses the lens-less Fourier transform and coaxial holographic to be the light path which can use CCD resolution and simplified the optical path. In the optical system with phase shifting technique to eliminate the effect of zero order and conjugate image. 2)In 1/2 inch CCD cases, using an interferometer principle to design the basic light path; Analysis and select the specific parameters of components；Calculate the conditions to meet the system. Calculate the system resolution and magnification in several objectives. In the short distance microscopic, the microscopic system can reach 1μm resolution lenth, Key Words: Holography;Digital holography microscopy;Preamplification -technology；
常见高分子红外光谱谱图解析1. 红外光谱的基本原理 1）红外光谱的产生 能量变化 ν νhc h= = E - E = ?E 1 2 ν ν h ?E = 对于线性谐振子 μ κ π ν c 2 1 = 2）偶极矩的变化 3）分子的振动模式 多原子分子振动 伸缩振动对称伸缩 不对称伸缩 变形振动AX2：剪式面外摇摆、面外扭摆、面内摇摆 AX3：对称变形、反对称变形 . 不同类型分子的振动 线型XY2： 对称伸缩不对称伸缩 弯曲
弯曲型XY2： 不对称伸缩对称伸缩面内弯曲（剪式） 面内摇摆面外摇摆卷曲 平面型XY3： 对称伸缩不对称伸缩面内弯曲 面外弯曲 角锥型XY3： 对称弯曲不对称弯曲
面内摇摆 4）聚合物红外光谱的特点 1、组成吸收带 2、构象吸收带 3、立构规整性吸收带 4、构象规整性吸收带 5、结晶吸收带 2 聚合物的红外谱图 1）聚乙烯 各种类型的聚乙烯红外光谱非常相似。在结晶聚乙烯中，720 cm-1的吸收峰常分裂为双峰。要用红外光谱区别不同类型的聚乙烯，需要用较厚的薄膜测绘红外光谱。这些光谱之间的差别反映了聚乙烯结构与线性—CH2—链之间的差别，主要表现在1000-870㎝-1之间的不饱和基团吸收不同，甲基浓度不同以及在800-700㎝-1之间支化吸收带不同。
低压聚乙烯（热压薄膜） 中压聚乙烯（热压薄膜） 高压聚乙烯（热压薄膜）
2.聚丙烯 无规聚丙烯
等规聚丙烯的红外光谱中，在1250-830 cm－1区域出现一系列尖锐的中等强度吸收带（1165、998、895、840 cm－1）。这些吸收与聚合物的化学结构和晶型无关，只与其分子链的螺旋状排列有关。 3.聚异丁烯 CH3 H2 C C n CH3
光学冷加工工艺和设备现状及其发展 张曾扬 ▲历史的回顾 我国光学仪器的加工技术，虽然有较长历史但形成批量生产并具有完整的工艺是在新中国成立后。 光学冷加工工艺在解放前虽然已有所采用，但缺乏完整性。解放后经过光学行业各方面人士及职工的努力，方逐步形成了较完善的加工方法。 五十年代初期，光学行业的设备陈旧，工艺落后。进入第一个五年计划后，加工工艺主要是采用“苏联”的工艺，设备也是由苏联引的和按“苏联”图纸制造的专用设备，二十世纪六十年代初期，国内个别厂家由德国引进了先进设备（如铣磨机和光学对中心磨边机），受到这些设备的启示，国内在六十年代中期开始工艺科研和研制新设备。首先进行的是研究粗磨机机械化和设计粗磨机，由于设备和工艺的改进，加工效率有很大的提高，但是后来受政治形势的影响，光学工艺的革新受到冲击，刚见成效的工艺革新，就此停止。二十世纪七十年代中期，对光学冷加工技术改造和技术革新提出了“四化”目标，即毛坯型料化、粗磨机械化、精磨高速化、定心磨边自动化。经过努力，这些目标全部在二十世纪八十年代初基本实现了。光学工业实现了光学冷加工“四化”，为军转民生产光学仪器奠定了有力基础。二十世纪八十年代针对当时民用光学仪器生产，又提出了光学零件制造的新四化，即抛光高速化，清洗超声化，辅
助工序机械化和辅料商品化。“新四化”，虽然受到了管理体制改变的影响，在研制设备和进行工艺科研的时间和深度不够理想，但全部实现了。 二十世纪八十年代重点是对光学加工机理和工艺因素的研究和探讨，通过科研人员和课题组的努力，均取得了理想的科研成果。在光学零件的定摆磨削和光学零件加工中不同牌号玻璃与不同结合剂的丸片之间的合理匹配都在光学加工方面有了突破，引起光学界的重视。这些科研的成果对光学加工工业起了重要作用，为了我们进一步提高光学加工的科研水平，奠定了雄厚的基础，为新的创新开辟了道路。 二十世纪八十年代是我们光学技术和工艺科研硕果累累的时期。不但在光学加工的基础理论方面，而在加工设备，加工工艺，加工模具，以及辅料等方面都取得了可喜成果。如光学加工机理，光学零件加工工艺因素，光敏胶，PH值稳定剂，光学导电膜，易腐蚀玻璃保护膜；PJM-320平面精磨机，QJM220球面精磨机，QJP-100与QJP-40光学中球面与小球面精磨抛光机；光学零件复制法；光学零件超声清洗代替清擦，光学零件真空吹塑包装以及自聚焦透镜制造等等，真是不胜枚举。这些科研成果，不但通过了部级鉴定，而且均获得子部级奖励或国家发明将。 进入九十年代后，在中国光学行业有了更大的进展，这是由于光学产品出口，光学工艺也随着有了更大的改变和进展。我们采用了几十年的成盘加工工艺受到了冲击，而单件光学加工在光学批量
第41卷第6期红外与激光工程2012年6月Vol.41No.6Infrared and Laser Engineering Jun.2012 大视场凝视型红外共形光学系统设计 姜洋1,2，孙强1，孙金霞3，刘英1，李淳1，王健1，杨乐1,2 (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.中国科学院研究生院，北京100049； 3.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009) 摘要：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15lp/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。 关键词：光学系统设计；共形光学；红外成像制导；鱼眼镜头 中图分类号：TN216文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)06-1575-06 Design of infrared staring conformal optical system with wide field of view Jiang Yang1,2,Sun Qiang1,Sun Jinxia3,Liu Ying1,Li Chun1,Wang Jian1,Yang Le1,2 (1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China; 3.China Airborne Missile Academy,Luoyang471009,China) Abstract:In order to optimize the aerodynamic performance of missile domes,enhance the stability and enlarge the FOV,an infrared staring imaging seeker combining the conformal dome and infrared fisheye lens was designed.The solution used an ellipsoidal conformal dome,inverted telephoto lens and f-θlens.Uniform illumination was realized through managing the imaging angle and pupil aberrations.Aberration characteristics of conformal dome were analyzed.The pupil aberrations at large FOV were solved.An optical system with±90°unvignetted FOR,100%cold stop efficient was designed.The MTF is higher than0.5at the spatial frequency of15lp/mm across the entire field.The RMS radiuses of spot diagram are less than 30μm;the geometric encircled energy is above93%in50μm range;the relative illumination is above85% at margin FOV.The specifications can meet the requirements of the wide field systems. Key words:optical system design;conformal optics;infrared imaging guidance;fisheye lens 收稿日期：2011-10-05；修订日期：2011-12-03 基金项目：国家自然科学基金(60977001)；国家863计划(2007AA122110) 作者简介：姜洋(1984-)，男，博士生，主要从事光学系统设计等方面的研究。Email:le_zhi@https://www.doczj.com/doc/c04659642.html, 导师简介：孙强(1971-)，男，研究员,博士生导师，博士，主要从事现代红外光学仪器、二元光学、红外系统仿真等方面的研究。 Email:sunq@https://www.doczj.com/doc/c04659642.html,
第28卷 第7期光 学 学 报 Vol.28,No.72008年7月 ACTA OP TICA SINICA J 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/AOS20082807.1359 Des 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 m Liang 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 reflectors system 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 than 0.6.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 @https://www.doczj.com/doc/c04659642.html, 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 @https://www.doczj.com/doc/c04659642.html, 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