精华内容
下载资源
问答
  • 硬件光学成像系统采用共轴光路,使用拉普拉斯金字塔变换方法对采集到的红外图像与可见光图像进行融合,并使用融合后图像与红外图像相结合在YUV通道中进行信息融合伪彩色化。实验结果表明,所提出的红外图像与可见光...
  • 为了实现共轴偏光瞳折轴三反射光学系统的高精度装调,提高其光学成像质量,研究了大口径非球面反射镜的微应力装配以及光学系统共基准的调校方法。采用光学定心加工实现主、次反射镜光轴基准与相应构件机械轴基准的高...
  • 从三级像差理论出发,推导了光阑设于次镜镜框的共轴四反射镜光学系统的单色像差系数的表达式,并给出了四反射镜光学系统的基本设计流程图。在此基础上,对光学系统进行视场离轴,设计出了视场角为20°×0.6°,焦距...
  • 由于共轴反射系统光束遮挡,有很多应用场景也都要使用离轴反射系统,当然,这些应用不需要EUV光学系统这么高的复杂度,其中就以离轴三反这种应用居多。本文以离轴三反成像系统的表亲——便携式光谱仪光路为例,简介...

    写在前面:

    前面《光刻机镜头光学设计探秘. 第二部分EUV》文中解释的光学系统为6片式离轴非球面反射系统,通过它我们了解到了离轴反射系统的独特魅力。

    由于共轴反射系统光束遮挡,有很多应用场景也都要使用离轴反射系统,当然,这些应用不需要EUV光学系统这么高的复杂度,其中就以离轴三反这种应用居多。本文以离轴三反成像系统的表亲——便携式光谱仪光路为例,简介离轴反射式系统的Zemax建模方法。

    当然,光谱仪光路也是光通信器件中MEMS Tunable Filter/WSS/DGM等模块的基本光路形态。

    提示:本文将用到较多Coordinate Break,请同学们尽量先熟悉Zemax中Coordinate Break面型定义和坐标变换的基本方法,要么看起来会有点懵…

    Keywords:

    Off Axis Reflecting System, OpticalSpectrum Analyzer

    抛物面反射镜:

    照我的习惯,还是从最基本的定义开始。

    抛物线定义:到定点定直线距离相等的点的轨迹,其中定点为抛物线焦点,定直线为抛物线准线。

    e678a619cc9f6e6d96087e0c47fb5d41.png

    图中定义:

    • d为抛物线上点到焦点的距离;

    • d'为对应抛物线上点到准线距离;

    • H为抛物线焦点侧任意一垂直光轴的直线与准线的距离。

    现在我们来计算由左方抛物面焦点发出的光线径抛物线反射到左方与光轴垂直线的光程L

    L=d+(H-d'),∵ d=d',∴ L=H

    由以上推导可知,由抛物线焦点发出的光线,径抛物面反射后到左侧定直线的光程总为定值。

    进一步的,我们可以得到轴对称抛物面的特性:由抛物线焦点点光源发射的发散球面波经抛物面反射后,变成了完善平面波

    有了上述结论,我们来建立模型第一个抛物面反射镜。

    Model Step 1: 1st Piece - Paraboloid Mirror - Off Axis

    波长:F/d/C可见光

    032add68c24f6c6451b7b627bf292f2b.png

    模型中定义:

    Standard面型,Conic=-1时对应抛物面,EFL=Radius/2;

    使用AfocalType,上图Spot Diagram中也能确认抛物反射面后成完善平面波。

    紧接着,我们为第1片反射面做离轴处理。大致的离轴量或入射角可在轴对称时求得,对于此EFL=100mm的抛物面,入射物方NA=0.2,入射角大约在12°以上时就可避免遮挡,先来个15°离轴入射角。如下图所示:

    39c40438f52d6b2fc9ca2215448069b9.png

    这里用了一个紧跟着OBJ面的Coordinate Break来做离轴入射角,这么做比较好放抛物面焦距。

    为了看起来舒服,可将Global Coordinate Reference-全局坐标参考放在OBJ面上,如下图所示。这样设置在最终出图,算全局坐标的时候也会比较方便。

    ed4284c541d610f5dd1891a00ceda2e1.png

    注意,这时没调整离轴孔径,因为后续设计必然要优化,所以一般是设计完活儿的时候调整。

    Model Step 2: 2nd Piece - Reflective Grating

    假设使用400l/mm的反射式闪耀光栅,闪耀级次+1级,光栅AOI=25°,这也是系统第2个反射面。

    9eca1569936cd1ac4f83aa2d1a153c6e.png

    同样需要使用Coordinate Break来调整Grating 面的Tilt X,从而得到合适的AOI。

    同时,使用了一个Decenter Y的Cheif Ray Solve来让光栅面中心跟随入射主光线。

    经过光栅之后,可见光F/d/C波长已经被光栅色散分开为不同角度。下面,再加入第3个反射面,将光斑聚焦于CCD成像面上。

    Model Step 3: 3rd Piece - Imaging Mirror

    为了将不同波长的光斑分的更开,暂且将第3片设置为EFL=130mm的抛物面反射镜。

    b18530c16a6c9f83de6c3b56dd8a1030.png

    此面加入Coordinate Break的方式与光栅类似,区别是先将Grating之后的左边变为与其波失方向垂直,然后再使用Decenter Y将此面离轴。最终光斑在IMA面形成约9mm宽的光谱成像区域。

    再接下来需对第3面面型、Tilt+Decenter、IMA面Z Thickness、Tilt X做优化,控制变量为各面边缘坐标,以避免元件及光路的位置干涉,以得到最佳的光斑大小。暂时我犯懒,等以后有心情再搞吧…

    Final Step: 

    最终,确定离轴量及有效孔径,得到实际系统Layout。

    b4f66f52a6a4cf49a74996088a4f5543.png

    总结:

    本文从抛物面定义、离轴抛物面建模、简要讲解了一种典型离轴光学系统——便携式光谱仪建模方法。希望对大家学习Coordinate Break的使用以及离轴系统建模稍有帮助。

    如有设计/仿真项目,请点击公众号页面“有活找我”来联系到我。

    知识无价,付出有偿,望请相互尊重。

    展开全文
  • 共轴三反射系统的基本理论出发,通过偏瞳和偏视场相结合的方式设计了一个圆视场离轴三反射光学系统,全视场为5°,焦距f=5000 mm。从像质评价结果可以看出,系统成像质量接近衍射极限,满足指标要求。在设计中考虑...
  • 设计了一种具有高发射和接收效率特性的激光通信光学系统。传统的卡式结构激光通信光学天线由于次镜的遮拦大大降低了发射效率,因此在设计中采用了偏瞳的卡塞格林光学天线,且收发共用,有效地提高了通信终端的发射...
  • 针对近红外InGaAs焦平面(FPA)调制传递函数(MTF)的测量要求,设计了一种全反射式Offner光学系统,由两块共轴的球面反射镜构成,11成像,F数为4。在焦平面工作波长1.7 μm下对光学系统进行优化,设计结果显示,在8 ...
  • 眼的明视与光学调焦广西桂林地区教育学院李天镛人的眼睛是一个由不同介质组成的共轴光学系统,远物或近物发出的进入睛睛的那部分光线,经过一系列的反射和折射,其反射光返回物空间,折射光都能在视网膜上聚焦成清晰...

    眼的明视与光学调焦

    广西桂林地区教育学院

    李天镛

    人的眼睛是一个由不同介质组成的共轴光学系统,远物或近物发出的进入睛睛的那部分

    光线,

    经过一系列的反射和折射,

    其反射光返回物空间,

    折射光都能在视网膜上聚焦成清晰

    像。然而,人眼对不同距离的物体成像中,并不像照相机镜头那样调焦,而是通过睫状肌压

    缩睛珠

    (或水晶体)

    使其两面典率半径发生变化而得以实现。

    因而在观察无限远物和近物时,

    眼睛光学系统的光焦度、

    两主点位置、

    两焦距长短等光学常数是不同的,

    说明眼睛是一完好

    而简捷的变焦距系统。

    迄今为止,完善人眼的视力与弥补先天或后天性视力的不足,其通常途径是借助于附加

    光组。

    于是合成光组的变焦与眼睛变焦的特殊功能间的联系,

    是影响视力的关键。

    为简明方

    便,本文就眼的瞳孔至视网膜的距离,以尽可能接近实际的平均值

    2.07cm

    ,代替各千差万

    别的具体眼,以老花眼为例,从光学变焦出发,对老花眼的配镜,挂戴松紧对视力有无影响

    以及戴镜视远物等情况进行讨论,

    以求得人眼对所有光学仪器使用中为保持视力,

    提高工作

    效率所应考虑和遵循的原则;

    消除怕因调整视力会加速眼睛老花的心理状态,

    正确使用助视

    仪器。

    一、配

    外界物体(相当于发光体)发出光线,通过眼的角膜、瞳孔、睛珠和玻璃状液时,睫状

    肌与瞳孔能对眼睛光学系统迅速而自动地调焦与对光,

    始终可成消晰像于视网膜上。

    光在视

    网膜上引起光化反应产生脉冲作用,

    经视神经纤维传到中枢神经,

    转达大脑而得到视觉和记

    忆。

    正常人眼可看清的最远点称无限远,无限远处物点(点的集合为物体)发来一束近似的

    平行光,这时睫状肌放松,睛珠曲率半径最大(最扁平),焦距

    f′

    最长,平行光正好聚焦成

    像在视网膜上,久视不感疲劳。人眼也能看清近物,最近点的距离为

    10cm

    左右。近物发出

    发散的不平行光束,这时依靠睫状肌压缩睛珠,使睛珠曲率半径变到最小(最凸),焦距

    f′

    最短,使发散光束仍能聚焦成像于视网膜上,此情况久视眼发账。通常阅读书报时,距离为

    25cm

    左右,这时久视眼不感疲劳,该距离称明视距离。

    人眼瞳到视网膜距离平均为

    2.07cm

    随着物距

    S

    的改变,

    睛珠第二焦距

    f′

    在睫状肌调节

    下作相应变化。人眼为近似球形,直径约

    2.43cm

    ,那么瞳孔到视网膜距离可看成近似不变

    的像距

    S′

    透镜的物像关系式

    1

    S′

    - 1

    S=1/f′

    比较接近实际地反应上述眼睛这一简捷变焦系

    统的成像过程。成年人正常眼的睛珠,随着物距的改变,焦距

    f′

    的变化情况为:(以睛珠中

    心为参考点,顺光为正,逆光为负;单位为

    cm

    ,以下均同)

    可见眼睛变焦系统中,睛珠在睫状肌调节下,其焦距应可在

    1.715

    2.07cm

    范围连续

    展开全文
  • 为了满足宽视场成像光谱仪发展的需求,研究了远心、宽视场和大相对孔径的离轴三反系统光学设计问题,推导出平像场远心三反系统初始结构尺寸参数和三级像差表达式。针对光谱范围0.4~2.5 μm、F数为4、有效焦距720 ...
  • 近轴光线的流图分析

    2021-02-09 02:46:14
    本文从光学传输矩阵和电子信号流图出发,引出“光学射线流图”,分析和讨论了光学共振腔。在这基础上,进一步定义了光学射线流图的“非共轴作用偶”,能迅速而清晰地处理非共轴光学系统的问题。
  • 共轴三反镜系统的几何光学成像理论基础上,从离轴三反望远系统的方案选择、初始结构计算、三级像差的校正及光学系统的优化四个方面,研究了成像光谱仪用宽视场、大相对孔径离轴三反消像散望远系统的设计问题,设计...
  • 根据共轴三反望远镜的像差要求,以优化其球差、彗差和像散为目标并结合优化评价函数,得到天文望远镜系统镜面的非球面高次系数,同时得到望远镜光学系统的各面的像差系数、能量图以及各视场的波前图和调制传递函数图...
  • 通过对高斯光束在傍轴、离轴两种状态下的成像分析,总结并提出了一种“准共轴”激光光束的成像理论,在该理论基础上设计了多波长激光二极管的准直光学系统,并通过光学设计软件建立了相应的光路模型。在该光路模型...
  • 为使太阳模拟器的接收靶得到...采用非共轴椭球面聚光镜,成功研制了由电源控制系统、冷却系统、氙灯光源和聚光系统构成的太阳能模拟器。经实验测试,太阳模拟器的聚光光斑与光学仿真软件TracePro模拟光斑符合得很好。
  • 利用光学设计软件优化得到的初始结构,结果表明,PGP系统的二级光谱得到了很好的校正,且探测器的CCD无需倾斜,更方便后期装调。覆盖谱宽为400~1000 nm,视场为9.2 mm,空间分辨率优于10 μm,光谱分辨率优于2.8 nm,光学...
  • 针对在温度范围大的环境中使用的多组元透镜组由于透镜和镜座的材料...结果表明,消热间隙和消热垫的设计使温度对透镜的影响明显减小,而且整体结构刚度高,便于装调,对于共轴光学系统的支撑结构是一种普遍适用的设计方法.
  • 1、人眼成像原理人眼相当于一架照相机,晶状体相当于照相机镜头,视网膜相当于照相机的胶片,人眼看物体和凸透镜成像的原理是一样的,如...图1人眼成像与照相机照相对比人眼是一个共轴光学系统,观察物体时,物体上...

    f51aacb2fad734c02a45b6cb56ce24db.png

    1、人眼成像原理

    人眼相当于一架照相机,晶状体相当于照相机镜头,视网膜相当于照相机的胶片,人眼看物体和凸透镜成像的原理是一样的,如图是眼睛的构造,就是一个凸透镜。根据成像条件可知,物体在视网膜上成的倒立、缩小的实像,来自物体的光线通过瞳孔,经过晶状体成像在视网膜上,再经过神经系统传到大脑,经过大脑处理,我们就看到物体而产生视觉了。

    b780ede34cda9f58e71304e7d470dbad.png
    图1人眼成像与照相机照相对比

    人眼是一个共轴光学系统,观察物体时,物体上的光线先经过角膜、前房水、瞳孔、晶状体、后房液,最后到达眼底视网膜上,成清晰的像。在成像过程中,眼睛如同一只自动变焦和自动改变光圈大小的照相机,它是把外界物体成像在眼底视网膜上,再结合人的大脑的生物作用,形成对外界客观事物的感观认识。从光学角度看,眼睛的角膜晶状体对应照相机中的镜头、虹膜与瞳孔相当于孔径光阑、视网膜如同底片或成像接收器。


    人眼视轴,是黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线。眼球的转动,使视轴对准观察物体并成像于黄斑为中心的一个区域上,视细胞受到光的刺激而产生视觉信息,通过视神经传递到大脑,从而产生最清晰视觉。眼睛对物体的成像是是实物成实像,所以视网膜上的像始终是倒像,在神经系统和大脑的作用下,人的感觉像是像是正立的。

    149f296b7a23b2c6c8dc9dbab2f4f1ad.png
    图2眼睛成像简图

    f1d22627b64a4c29017905d681690533.png
    图3眼睛的成像光学系统

    人观察物体时,有一定的视场(角)范围,其视场角度在水平方向上可以达到150°,在垂直视场角可以达到高水平130°,左右可达70°左右,最清晰的视场范围是在视轴周围6°~8°。


    人眼结构参数与光学参数折射率如表4所示。

    fda5b72445a99858f2bddedaabeea92e.png
    图4 人眼结构的光学参数

    2、人眼的调节和适应

    人眼要看清远近的物体,也能明辨明暗环境下的物体,这种自动调节叫眼睛调节,主要靠睫状肌的收缩和晶体的固有弹性来实现的。人眼的调节主要有两种类型:瞳孔调节和视度调节。

    (1)瞳孔调节

    人眼的瞳孔是虹膜的中心圆孔,瞳孔可以自动调节直径大小来控制进入眼睛的光通量,直径变化范围是2~8mm之间。白天光线较强时,光亮度高时,虹膜收缩,瞳孔变小到2mm,光阑拦住部分光进入眼睛;光线暗时,瞳孔变大到8mm,使进入眼睛的光能多。由于瞳孔的调节,人眼能够感受很大范围的光亮度的变化。在设计目视光学仪器时必须考虑和人眼瞳孔大小配合。


    若外界光很强,瞳孔缩小到2mm时仍然使人无法适应,就容易使视网膜造成伤害。直视太阳或正视激光束能在视网膜上烧成一盲斑,使人在观看任何景象时,总有一块或数块区域是黑斑。


    眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。这种适应主要是因为人眼的瞳孔自动增大或缩小完成。适应可分为明适应和暗适应。明适应发生在由暗处到亮处时,会产生瞬间眩目现象,瞳孔自动缩小,导致进光量少,明适应适应过程较快,几分钟即可,但敏感度大大降低。暗适应发生在由亮处到暗处时,开始眼睛眼前一片漆黑,瞳孔自动增大并伴随着暗适应过程的逐渐完成,进入眼睛的光能量增加,眼睛适应于感受微弱的光能,眼睛的敏感度也相应地提高,眼睛适应了暗环境才能看清周围的环境。人在暗环境里呆的时间越长,眼睛的暗适应就越好,敏感度也就越好,约60分钟后,敏感度达最大。此时视杆细胞在起非常大的作用。眼睛能感受的光亮变化非常大,可达1012:1的范围。


    当人眼适应完成后,人眼瞳孔直径随所处的环境光亮度值有一对应值表6-2表出不同亮度条件下,人眼适应后瞳孔直径的平均取值,设计目视光学系统时要考虑环境与人眼瞳孔之间的大小配合。

    (2)视度调节

    眼睛是一个光学成像系统,当观察物体时,使物体在视网膜上形成一个清晰的像。在眼球内,眼睛主要折射结构晶状体到视网膜的几何距离近似固定,对于眼睛特定的光学系统,在物距不断改变,像距不变的情况下,唯一能改变的是改变晶状体的焦距。睫状肌收缩时,牵拉晶状体的表面曲率半径变小,可观察近处物体;当睫状肌放松时,晶状体曲率半径变大,可看清远处物体。眼睛成像系统对任意距离物体成像时,通过自动改变晶状体曲率达到调焦用以看清不同距离物体的过程,称为眼睛的调节。眼睛长时间用眼可发生眼疲劳现象,眼疲劳的症状表现为:眼睛发胀、头疼、眼花,眼睛酸涩、眼睛发干等。


    为了描述眼睛看清远近物体的调节能力,引入了视度的概念。假定人眼能看清的物面位置到人眼的距离为l,单位m,则这距离的倒数就是视度,用SD来表示,单位为屈光度,符号为D,具体计算公式为:

    8eb6d3737bf98021fab66bc9a589ce3c.png
    1屈光度=1D

    正常眼当肌肉完全放松时眼睛看远处物体,能看清的最远的点叫远点;当肌肉收缩时,眼睛看近处时能看清最近的点叫近点。正常眼所能看到的远点在极远处,近点在距离眼睛约10厘米处。设远点(far point)距离lr,近点(near point)距离 lp,远点视度与近点视度的差就是人眼调节的范围,或者叫人眼的调节能力,用符号表示,其单位为屈光度D。


    眼睛是人的重要器官,不同的人眼睛的特点不同,所以近点与远点均会有差异。随着年纪的增长,远点近点都会有所变化,也就是人眼的调节能力会随着年龄的增长会慢慢变差,肌肉收缩的能力也会衰退,所以近点尤其会变化明显,往往会近点变远。年纪增大到一定年纪,会出现老年性远视眼或老花眼,这种现象的程度也会因人而异。表6-3列出了不同年龄段的眼睛的调节能力情况。

    34594138d95b7c2044ccd08258fd2b7f.png
    不同年龄段的眼睛的调节能力情况

    年龄近点距(CM)P/屈光度远点距(CM)R/屈光度=R-P/屈光度。通常情况下,人眼有一个近距离工作的习惯距离,称为明视距离,即正常视力的眼睛在正常照明(50lx)下的习惯工作距离,长度为250mm,这个距离人眼看物体最舒服,它有别于近点距离,近点距离是人眼能够看清最近距离物体的极限距离。【例1】:远点为2m的近视眼,所需眼镜的光焦度为-0.5D,即50度。根据高斯成像公式可得:眼镜的度数等于屈光度数×100=-0 .5×100=50度。

    913fe294f8d554f59105f56d70182333.png

    (续)

    展开全文
  • 研究了连续工艺衍射光学元件在实际系统中的宽容度问题,模拟了非理想入射波、系统共轴以及焦面定位对均匀照明的影响,提出了系统定位精度的重要性,并为实际工程检测提供了有意义的参数。
  • 提出了基于调制度比的光学三维测量新方法,设计了基于共轴光路的测量系统。理论分析表明,在几何光学近似下,物体表面一点调制度比的对数与该点的高度成正比,因此可以用调制度比作为物体高度的载体。通过标定建立...
  • codev界面图解

    2018-08-15 14:17:47
    一个共轴光学系统由不多的几个参数就可以确定,主要是每个表面的曲率、厚度、和玻璃材料。但是,这这几个参数会使许多事情出现错误,包括: ●错误的曲率(通常用样板的吻合度来测试,DLF,加上柱面的不规则度,IRR)...
  • 采用系统的运动组及像面与第一镜片组不共轴的结构形式设计一个满足56°视场(FOV)角、2.5倍光学变焦及600万像素要求的手机摄像镜头。利用全动型变焦距透镜高斯光学法计算镜头结构,用Code-V优化镜头系统,畸变为-5%...
  • 通常的光学CAD软件难于适应这种光学系统。因此设计了掠入射非共轴反射成像的KBA显微镜成像系统程序,并用该程序分析了该系统的综合误差。 物距公差为-0.4~+1 mm, 掠入射角公差在-8″~0, 双反射镜公差在-20″~0, ...
  • 在实际的高功率激光系统中,当光学元件非共轴放置、光学元件有像散特性、光束倾斜入射时,系统中会出现许多离轴的鬼点,鬼点也可能变为鬼线。采用4×4光学矩阵,给出了计算高功率激光装置中的任意n阶离轴鬼点或鬼线...
  • 基于该模型,通过计算大量光子经光学系统的传播轨迹可获得高斯光束的几何构形、光强分布、光子光程分布及其传播方向。对实际非球面光学系统的计算结果充分验证了该方法可全面、准确地模拟高斯光束的传输特性,且数值...
  • KBA显微镜是一种非轴对称、非共轴的掠入射成像系统。其结构复杂,调节精度要求很高,在实际成像实验操作中难以掌握其成像特性。利用光学设计软件模拟其成像,对系统的调节和成像分析提供有益的参考。利用光学设计软件...
  • 搭建了由共轴Schwarzschild望远镜组成的遥测LIBS系统,研究了不同导轨位置下样品距离波动时LIBS特征谱线光谱强度、相对标准偏差、光谱...研究结果有利于高性能光学系统设计,并为光谱的定性和定量分析提供了理论参考。
  • 成像光学结构由两块共轴的球面反射镜构成,11成像,F数为4;在芯片工作波长为1.7 μm时,在高达8 mm×30 mm的宽视场内,20 lp/mm(对应尺寸25 μm×25 μm的芯片特征频率)处的实测MTF高于0.8,接近衍射极限。利用该...
  • 光学中心偏是光学仪器制造误差中一项...中心偏的存在破坏了光学系统共轴性,导致成像质量的下降。因此,光学系统光轴一致性是光学系统成像质量的基本要求。在光学仪器的装配中,通常是靠镜片外圆与镜座孔配合来定位。
  • 报道了一种用共轴全对称光学系统补偿激光二极管本征像散的新方法,该方法结构简单,易制造,且费用低。文中还给出了几种准直和聚焦的光学系统
  • 通常的光学CAD软件难于适应这种光学系统。把共轴球面折射系统的向量公式调整后设计了掠入射非共轴KBA显微镜成像系统程序, 并用该程序分析了KBA系统的像差及综合误差。分析结果表明, KBA显微镜系统是大像差系统, 当...

空空如也

空空如也

1 2
收藏数 34
精华内容 13
关键字:

共轴光学系统