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二值振幅型远场超分辨消色差聚焦器件研究

物理学报 2024年第10期73卷 153-161页

作者：武志翔李新羽黄字文邹依洋熊亮邓琥尚丽平西南科技大学信息工程学院绵阳621010 西南科技大学极端条件物质特性联合实验室绵阳621010 西南科技大学制造科学与工程学院绵阳621010

具有远场超分辨聚焦特性、消色差、小尺寸和易加工的光学聚焦器件在光学成像、光学显微和光刻等领域具有巨大应用潜力.本文提出了一种基于光学超振荡基本原理,结合角谱衍射理论和二进制粒子群算法的二值振幅型远场超分辨消色差聚焦器件... 详细信息

具有远场超分辨聚焦特性、消色差、小尺寸和易加工的光学聚焦器件在光学成像、光学显微和光刻等领域具有巨大应用潜力.本文提出了一种基于光学超振荡基本原理,结合角谱衍射理论和二进制粒子群算法的二值振幅型远场超分辨消色差聚焦器件设计方法.为了验证所提出设计方法,首先针对波长λ_(1)=405 nm,λ_(2)=532 nm和λ_(3)=632.8 nm的径向偏振光对二值振幅型远场超分辨聚焦器件振幅进行优化设计,再对三者振幅分布进行逻辑“与”操作,使其同时含有3个工作波长远场超分辨聚焦的振幅分布信息.仿真结果表明:在3个波长入射条件下相应的峰值半高全宽分别为0.441λ_(1) (0.179μm),0.469λ_(2 )(0.249μm)和0.427λ_(3) (0.270μm),低于阿贝衍射极限,实现了远场超分辨消色差聚焦,且同时聚焦较小的旁瓣比率(消色差和超分辨等优点,适用于光学系统微型化、集成化.所提出的设计方法可拓展至其他光学波段,并为相关光学研究领域提供核心聚焦器件.

关键词：光学超振荡消色差远场超分辨角谱衍射

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宽带消色差超构透镜研究

中国科学：物理学、力学、天文学 2022年第6期52卷 138-143页

作者：吴一凡王漱明南京大学物理学院固体微结构国家重点实验室南京210093

超构表面因其存在丰富的物理内涵和应用价值,可以被制作成各种光场调控器件.为了优化宽带连续消色差的设计方法,我们依靠超构表面的几何相位和共振相位实现对光学器件中波长不依赖的基础相位与波长依赖的色差相位的拆分,设计出在近红外... 详细信息

超构表面因其存在丰富的物理内涵和应用价值,可以被制作成各种光场调控器件.为了优化宽带连续消色差的设计方法,我们依靠超构表面的几何相位和共振相位实现对光学器件中波长不依赖的基础相位与波长依赖的色差相位的拆分,设计出在近红外波段的消色差反射聚焦镜和反射板.利用在可见光下透明的GaN纳米柱和槽结构,制备了可见光频段的消色差透镜,并首次取得了基于超构表面透镜的全彩成像和视频拍摄.面对数值孔径和通光口径不能同时较大的问题,我们引入超构透镜阵列的体系,不仅获得了成像效果的提升,还可以实现光场成像,这极大地丰富了超构透镜成像的内容和功能.近期,将有相位调控能力的超构透镜阵列与非线性晶体相结合,成功地实现了100个自发参量下转换过程的同时产生.此量子光源可以实现高维路径纠缠光源和多光子源.超构透镜为光学成像和量子光学等领域引入了新的体系和新的物理效应.

关键词：超构透镜消色差光量子信息技术

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基于波前编码的消色差稀疏孔径超构透镜

中国激光 2023年

作者：张敬巍胡敬佩董延更曾爱军黄惠杰中国科学院大学中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室

光学稀疏孔径技术以其具有降低透镜的加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超透镜的设计和优化中。然而，目前稀疏孔径超透镜的研究仅限于单波长，通常难以应用到宽波段的成像领域。本文基于波前编码和稀疏孔径技术设计了... 详细信息

光学稀疏孔径技术以其具有降低透镜的加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超透镜的设计和优化中。然而，目前稀疏孔径超透镜的研究仅限于单波长，通常难以应用到宽波段的成像领域。本文基于波前编码和稀疏孔径技术设计了一种消色差的稀疏孔径超透镜。该消色差稀疏孔径超透镜在加工面积降低至全孔径透镜36%的情况下，在可见光波段（400-700nm）可实现与理想透镜一致的分辨率。该消色差稀疏孔径超透镜既实现了对可见光波段的消色差，又解决了大孔径超透镜加工难题，具有加工成本低、消色差范围大、成像清晰等特点，在图像采集方面具有重要应用价值。

关键词：超构透镜消色差光学稀疏孔径波前编码维纳滤波

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消色差旋转双光楔系统光学设计与研究

消色差旋转双光楔系统光学设计与研究

作者：杨柠宇内蒙古大学

学位级别：硕士

近年来,光束扫描跟踪系统在空间光通信、激光武器、红外对抗、光电探测等领域得到广泛应用,然而传统扫描技术存在指向精度低、动态性能差等问题。旋转双光楔光束扫描技术利用两个光楔绕轴独立旋转实现对光束偏转的控制,正以其独特的结... 详细信息

近年来,光束扫描跟踪系统在空间光通信、激光武器、红外对抗、光电探测等领域得到广泛应用,然而传统扫描技术存在指向精度低、动态性能差等问题。旋转双光楔光束扫描技术利用两个光楔绕轴独立旋转实现对光束偏转的控制,正以其独特的结构优势在光束指向领域中蓬勃发展。消色差旋转双光楔由于消除了色差的影响,宽波段成像时表现出良好的像质,在系统稳定性、精度上更胜一筹。首先,针对双光楔的工作原理和色散特性给出了色差的校正方法,确定结构形式和棱镜材料,根据项目需求完成了消色差旋转双光楔系统的设计,分析表明其能实现±30°的光束偏转。运用公差分析研究了装调时旋转误差对视场角、盲区的影响,分析结果表明一般旋转误差对系统造成的影响在可接受范围内,然后通过Zemax编程语言得出了出射光束在像面上的具体位置坐标,再根据矢量折射定律在Matlab软件里完成对光线的追迹,并对光束扫描规律进行总结。其次,按照项目要求设计了一个红外成像光学系统,光学被动式消热差结果表明在-20～70℃工作温度范围内系统能保持较好的成像质量,具有宽温度范围的自适应性。对该系统进行室温下的公差分析,500次蒙特卡洛分析结果表明该成像光学系统在奈奎斯特频率处的平均传递函数有98%的概率在0.2以上,系统仍然接近衍射极限。再将旋转双光楔分系统与成像光学分系统进行接合,并详细分析了接合后各个视场的成像质量,分析结果显示弥散斑远远小于艾里斑,均方根波像差在λ/60左右,传递函数接近衍射极限,表明整个系统具有实际工程意义。最后,基于设计方案完成了对消色差旋转双光楔系统样机的制作,并利用实验检验视场、盲区以及指向精度,各种试验结果均表明制作的样机能应用于实际工程项目,所设计的光学系统能满足项目各项指标要求。

关键词：光束指向旋转双光楔消色差光束扫描光学设计

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消色差相位延迟器的光谱特性测试研究

光谱学与光谱分析 2003年第1期23卷 28-30页

作者：赵秋玲吴福全山东曲阜师范大学激光研究所山东曲阜273165

本文应用归一化偏振调制原理建立的测试系统 ,对常规菲涅耳菱体、改进型菲涅耳菱体、斜入射型以及直角棱镜组合型的消色差相位延迟器的光谱特性进行了测试研究 ,得到了各延迟器的消色差特性曲线 ,并对测试结果进行了分析。结果表明改进... 详细信息

本文应用归一化偏振调制原理建立的测试系统 ,对常规菲涅耳菱体、改进型菲涅耳菱体、斜入射型以及直角棱镜组合型的消色差相位延迟器的光谱特性进行了测试研究 ,得到了各延迟器的消色差特性曲线 ,并对测试结果进行了分析。结果表明改进型菲涅耳菱体以及直角棱镜组合型消色差相位延迟器 ,是目前较理想的实用型消色差相位延迟器。

关键词：消色差谱相位延迟器光谱特性测试相位延迟光学器件

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太赫兹大视场宽带消色差超构透镜

微波学报 2023年第S1期39卷 17-21页

作者：周震宇唐星肖亦可丁继根孙飞岳黄伟俞叶峰南京理工大学微电子学院南京210094 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所苏州215123

基于超构透镜的太赫兹成像系统因紧凑的体积受到广泛关注。现有太赫兹超构透镜仅能实现消色差或大视场成像,需要大视场宽带消色差超构透镜来进一步提升太赫兹系统的成像质量。文中介绍了一种工作在0.3~0.5THz,数值孔径0.707,直径10mm,视... 详细信息

基于超构透镜的太赫兹成像系统因紧凑的体积受到广泛关注。现有太赫兹超构透镜仅能实现消色差或大视场成像,需要大视场宽带消色差超构透镜来进一步提升太赫兹系统的成像质量。文中介绍了一种工作在0.3~0.5THz,数值孔径0.707,直径10mm,视场100°的太赫兹大视场消色差硅基超构透镜。该超构透镜采用了二次非球面型相位剖面,减小了轴外像差,实现了大视场;选取了相位和色散满足要求的单元进行布阵,消除了色差。因此,它有望被广泛应用在生物检测、太赫兹成像等领域。

关键词：太赫兹超构透镜消色差大视场

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消色差多级衍射透镜的设计与制造

消色差多级衍射透镜的设计与制造

作者：郑博洋长春理工大学

学位级别：硕士

随着市场对光学系统综合性能的要求与日俱增,光学系统向着轻量化、结构简单、光学性能卓越的方向发展。其中,消色差衍射透镜具有良好的光学性能、热稳定性以及平像场的特点,在航天、医疗、军事等领域的应用日益广泛。不仅可以为光学系... 详细信息

随着市场对光学系统综合性能的要求与日俱增,光学系统向着轻量化、结构简单、光学性能卓越的方向发展。其中,消色差衍射透镜具有良好的光学性能、热稳定性以及平像场的特点,在航天、医疗、军事等领域的应用日益广泛。不仅可以为光学系统提供更多的参数选择,而且能够从像质、体积和重量等方面展现优势。本文基于标量衍射理论,提出了消色差多级衍射元件组合系统的设计,对由多级衍射元件、折射元件和衍射菲涅尔元件组合的系统展开分析,具体研究内容如下:首先,简要介绍了衍射光学元件的研究进展,探究了折衍射混合透镜、多级衍射透镜及多层衍射元件的消色差现状,对衍射光学元件的加工技术发展进行调研。阐述了宽光谱光学系统消色差及复消色差理论,给出位置色差、二级光谱等理论的推导,指导了光学系统对玻璃材料的初步选取和系统初始结构的光焦度分配。其次,阐述了衍射光学元件的成像性质与色散特性。将薄透镜的三级像差理论运用到本文的多级衍射元件、折射元件和菲涅尔元件组合系统的设计中,推导了组合系统的三级像差公式。再次,对设计的系统进行消色差及复消色差,并校正球差。再次,对组合系统的面型展开分析,结果表明相比较于平面面型,当系统为球面、非球面面型时,整个系统的成像质量更好,消色差效果更明显。在非球面面型情况下,位于截止频率50 lp/mm处,系统的MTF值远高于系统在球面面型下的值,且衍射圈入能量更高。然后,以标量衍射理论为基础,通过对不同类型衍射光学元件衍射效率的计算,推导出多层衍射元件衍射效率的表达式,以此为基础推导本文设计的组合系统衍射效率的数学表达式。当衍射元件材料为PMMA、PC时,系统在可见光波段的衍射效率达到94.82%之上,这对折衍射混合复消色差系统的工作有推动作用。最后,开展了单点金刚石车削多级衍射元件的实验。制造出衍射微结构高度为16.4983μm,直径为5 mm的PMMA多级衍射元件。该元件PV值为0.1015μm,表面粗糙度为2.48 nm,为单点金刚石车削多级衍射元件的工程应用提供了技术指导。本课题对消色差多级衍射元件的设计与制造工作有理论指导意义。

关键词：衍射光学多级衍射元件消色差衍射效率单点金刚石车削

基于可见光波段的编码优化消色差衍射透镜设计分析

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光学学报 2022年第13期42卷 17-24页

作者：赵玺竣范斌何一苇张豪郑书培钟烁雷嘉明杨伟杨虎中国科学院光电技术研究所四川成都610209 中国科学院大学北京100039 成都中科卓尔精密仪器有限公司四川成都610299

传统衍射光学元件(DOE)在宽波段工作时存在的严重色散限制了它在宽波段成像中的应用。提出一种基于编码优化的消色差衍射透镜设计,对整个衍射透镜的微结构高度进行编码后,利用粒子群优化算法进行优化,以平衡各个波长在特定焦距下的聚焦... 详细信息

传统衍射光学元件(DOE)在宽波段工作时存在的严重色散限制了它在宽波段成像中的应用。提出一种基于编码优化的消色差衍射透镜设计,对整个衍射透镜的微结构高度进行编码后,利用粒子群优化算法进行优化,以平衡各个波长在特定焦距下的聚焦作用,使各波长的点扩展函数(PSF)变得几乎相同,实现400~700 nm连续可见光波段中消色差的目的。对传统DOE、分区方式消色差DOE和所提出的编码优化消色差DOE进行仿真验证和成像测试。结果表明,相较于其他两种DOE,编码优化DOE在各波长下的PSF更一致,可见光下截止频率提高至8.6 lp/mm。相较于传统DOE和分区消色差DOE,所提出的编码优化DOE在可见光下具有更好的消色差能力和更高的分辨率。

关键词：衍射衍射透镜消色差点扩展函数粒子群优化

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多级衍射元件消色差系统的面型分析

光学学报 2023年第10期43卷 1-8页

作者：郑博洋薛常喜长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学先进光学设计与制造技术吉林省高校重点实验室吉林长春130022

多级衍射元件在衍射望远系统消色差领域的应用逐渐成为热点。基于赛德尔三级像差理论,对由多级衍射光学元件、折射光学元件和菲涅耳衍射元件三元件组合的光学系统展开分析。在400~700 nm工作波段,通过数学推导校正表面系统的球差,同时... 详细信息

多级衍射元件在衍射望远系统消色差领域的应用逐渐成为热点。基于赛德尔三级像差理论,对由多级衍射光学元件、折射光学元件和菲涅耳衍射元件三元件组合的光学系统展开分析。在400~700 nm工作波段,通过数学推导校正表面系统的球差,同时实现消色差及复消色差。对系统在平面、球面和非球面不同面型下的成像质量进行比对。当系统为非球面设计时,调制传递函数在截止频率50 lp/mm处高于0.6683,优于平面和球面设计,衍射圈入能量更高,成像质量更好。该研究为将多级衍射元件组合系统运用到消色差领域提供了参考。

关键词：衍射多级衍射元件三级像差理论消色差非球面折衍射混合