基于自由曲面的空间光学系统偏振像差分析及设计

张艺蓝; 史浩东; 王超; 李英超; 刘壮; 张肃; 王稼禹; 姜会林

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于自由曲面的空间光学系统偏振像差分析及设计

更新时间：2021-11-29

- 基于自由曲面的空间光学系统偏振像差分析及设计
- Design and analysis of polarization aberration of space optical system based on freeform surface
- 光学精密工程 2021年页码：1-16
- 作者机构：
  
  长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022
- 作者简介：
  
  [ "张艺蓝（1992-），女，吉林长春人，博士，2018年于长春理工大学获得硕士学位，现为长春理工大学光电工程学院博士，主要从事偏振像差及光学设计方面的研究。E-mail： 673258464@qq.com" ]
  [ "史浩东（1989-），男，吉林长春人，2017年于长春理工大学获得博士学位，现任长春理工大学讲师，硕士生导师。主要研究方向为光学系统设计、自由曲面光学系统像差理论、偏振探测与定标技术等。" ]
  [ "姜会林（1945-），男，辽宁省辽中县人，1969年本科毕业于长春光机学院，1987年博士毕业于中科院长春光机所。2015年当选为中国工程院院士。曾任长春理工大学校长，现任校学术委员会主任。兼任中国兵工学会副理事长、中国光学学会和中国光学工程学会常务理事、中央军委科学技术委员会航天领域专家委员会成员、长春光机所应用光学国家重点实验室学术委员会副主任等职务。长期从事应用光学技术研究。" ]
- 基金信息：
- DOI：
  中图分类号： O436.3
- 稿件说明：
移动端阅览
张艺蓝,史浩东,王超等.基于自由曲面的空间光学系统偏振像差分析及设计[J].光学精密工程,

ZHANG Yi-Lan,SHI Hao-dong,WANG Chao,et al.Design and analysis of polarization aberration of space optical system based on freeform surface[J].Optics and Precision Engineering,
张艺蓝,史浩东,王超等.基于自由曲面的空间光学系统偏振像差分析及设计[J].光学精密工程, DOI：10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001

ZHANG Yi-Lan,SHI Hao-dong,WANG Chao,et al.Design and analysis of polarization aberration of space optical system based on freeform surface[J].Optics and Precision Engineering, DOI：10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001

摘要

针对含有自由曲面的空间光学系统中偏振像差对探测精度和成像质量的影响，本文基于琼斯表示法，提出以条纹泽尼克多项式为表征函数的自由曲面离轴光学系统偏振像差分析方法，构建了自由曲面反射光学系统偏振像差解析模型，分析了条纹泽尼克多项式低阶系数对视场离轴光学系统偏振像差分布的影响；通过全视场偏振光线追迹仿真及系统引入自由曲面前后的对比，揭示了自由曲面对离轴光学系统相位像差、相位延迟和二向衰减等三种偏振像差的作用规律；最后，设计了含有自由曲面的大视场离轴三反偏振成像光学系统，并对系统全视场偏振像差进行了分析。分析结果表明：相位像差分布与自由曲面面型矢高分布一致，自由曲面引起的二向衰减和相位延迟分别占系统总体二向衰减和相位延迟的52.5%。掌握这种偏振特性变化对于设计深空天文望远镜等甚高精度光学系统具有重要意义。

Abstract

Aiming at the influence of the polarization aberration on detection accuracy and imaging quality in a spatial optical system containing freeform surfaces. Firstly， in this paper， based on the Jones notation， a freeform surface off-axis optical system with fringe Zernike polynomials as the characterizing function is proposed. Secondly， the polarization aberration analysis model of reflective optical system with freeform surface is constructed. The influence of fringe Zernike polynomial low-order coefficients on the polarization aberration distribution of the field of view off-axis optical system is analyzed. Then， by tracing of the polarized light through full field of view and the comparison between before and after the freeform surface is introduced， the freeform surface effects on the three kinds of polarization aberrations， which containing phase aberration， retardance and diattenuation， of the field-bias optical system are verified. Finally， a wide-field off-axis three-mirror optical system with freeform surface is analyzed and the polarization aberration of the full field of view is analyzed. The analysis results show that the phase aberration distribution is consistent with the freeform surface sagittal height distribution， and the retardance and diattenuation caused by the freeform surface account for 52.5% of the retardance and diattenuation of the total system， respectively. Mastering this polarization characteristic change is of great significance for the design of very high-precision optical systems such as deep-space astronomical telescopes.

关键词

Keywords

references

CHIPMAN R A ， LAM W S T ， BRECKINRIDGE J . Polarization aberration in astronomical telescopes ［C］. Polarization Science and Remote Sensing VII， International Society for Optics and Photonics ， 2015 ， 9613 ： 96130H . doi: 10.1117/12.2188921 http://dx.doi.org/10.1117/12.2188921

CHIPMAN R A . Polarization Aberrations ［D］. The University of Arizona ， 1987 . doi: 10.1117/12.978572 http://dx.doi.org/10.1117/12.978572

MCGUIRE J P ， CHIPMAN R A . Polarization aberrations 1 Rotationally symmetric optical systems ［J］. Applied Optics ， 1994 ， 33 （ 22 ）： 5080 . doi: 10.1364/ao.33.005080 http://dx.doi.org/10.1364/ao.33.005080

SASIAN J . Polarization fields and wavefronts of two sheets for understanding polarization aberrations in optical imaging systems ［J］. Optical Engineering ， 2014 ， 53 （ 3 ）： 035102 . doi: 10.1117/1.oe.53.3.035102 http://dx.doi.org/10.1117/1.oe.53.3.035102

马岩，张超子，刘也，等 . 采用双三次插值的空间目标偏振成像［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 12 ）： 2555 - 2563 . doi: 10.3788/ope.20192712.2555 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192712.2555

MA Y ， ZHANG CH Z ， LIU Y ， et al . Polarization imaging of space target based on bicubic interpolation ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 12 ）： 2555 - 2563 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192712.2555 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192712.2555

韩勇，赵开春，尤政 . 快速旋转式偏振成像探测装置的设计［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 10 ）： 2345 - 2354 . doi: 10.3788/OPE.20182610.2345 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20182610.2345

HAN Y ， ZHAO K CH ， YOU ZH . Development of rapid rotary polarization imaging detection devices ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 10 ）： 2345 - 2354 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20182610.2345 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20182610.2345

李春艳，乔琳 . Wollaston棱镜偏振非正交对空间测角系统的影响［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 6 ）： 1306 - 1313 . doi: 10.3788/ope.20182606.1306 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182606.1306

LI CH Y ， QIAO L . Influence of polarization non-orthogonality of Wollaston prism in rapid space angle measuring system ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 6 ）： 1306 - 1313 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182606.1306 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182606.1306

张颖，赵慧洁，邢辉，等 . 透射式旋转对称光学系统中的偏振像差［J］. 光学精密工程， 2009 ， 17 （ 4 ）： 757 - 763 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2009.04.011 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2009.04.011

ZHANG Y ， ZHAO H J ， XING H ， et al . Polarization aberrations of transmitting rotationally symmetric optical systems ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2009 ， 17 （ 4 ）： 757 - 763 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2009.04.011 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2009.04.011

宣斌，宋淑梅 . 偏振正交性对偏振相移干涉检测精度的影响［J］. 光学精密工程， 2013 ， 21 （ 12 ）： 3001 - 3007 . doi: 10.3788/ope.20132112.3001 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20132112.3001

XUAN B ， SONG SH M . Influence of polarization direction orthogonality on precision of polarization phase shifting interferometry ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2013 ， 21 （ 12 ）： 3001 - 3007 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20132112.3001 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20132112.3001

杨宇飞，颜昌翔，胡春晖，等 . 相干激光通信光学系统偏振像差研究［J］. 光学学报， 2016 ， 36 （ 11 ）： 1106003 . doi: 10.3788/aos201636.1106003 http://dx.doi.org/10.3788/aos201636.1106003

YANG Y F ， YAN CH X ， HU CH H ， et al . Polarization aberration analysis of coherent laser communication system ［J］. Acta Optica Sinica ， 2016 ， 36 （ 11 ）： 1106003 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201636.1106003 http://dx.doi.org/10.3788/aos201636.1106003

罗敬，何煦，范阔，等 . 无遮拦离轴天文望远镜偏振像差分析及其对光学椭率的影响［J］. 光学学报， 2020 ， 40 （ 8 ）： 0811001 . doi: 10.3788/aos202040.0811001 http://dx.doi.org/10.3788/aos202040.0811001

LUO J ， HE X ， FAN K ， et al . Polarization aberrations in an unobscured off-axis astronomical telescope and their effects on optics ellipticity ［J］. Acta Optica Sinica ， 2020 ， 40 （ 8 ）： 0811001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos202040.0811001 http://dx.doi.org/10.3788/aos202040.0811001

MCGUIRE J P ， CHIPMAN R A . Polarization aberrations 2 Tilted and decentered optical systems ［J］. Applied Optics ， 1994 ， 33 （ 22 ）： 5101 . doi: 10.1364/ao.33.005101 http://dx.doi.org/10.1364/ao.33.005101

CHIPMAN R A . Polarization analysis of optical systems， II ［C］. 33rd Annual Technical Symposium. Proc SPIE 1166 ， Polarization Considerations for Optical Systems II， San Diego， USA . 1990 ， 1166 ： 79 - 94 . doi: 10.1117/12.962881 http://dx.doi.org/10.1117/12.962881

CHIPMAN R A . Order dependence and independence of weak polarization elements ［C］. 33rd Annual Technical Symposium. Proc SPIE 1166 ， Polarization Considerations for Optical Systems II， San Diego， USA . 1990 ， 1166 ： 135 - 142 . doi: 10.1117/12.962885 http://dx.doi.org/10.1117/12.962885

史浩东，姜会林，张新，等 . 基于矢量像差的自由曲面光学系统像差特性研究［J］. 光学学报， 2015 ， 35 （ 12 ）： 1208003 . doi: 10.3788/aos201535.1208003 http://dx.doi.org/10.3788/aos201535.1208003

SHI H D ， JIANG H L ， ZHANG X ， et al . Research on freeform optical system aberration characteristic based on vector aberration ［J］. Acta Optica Sinica ， 2015 ， 35 （ 12 ）： 1208003 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201535.1208003 http://dx.doi.org/10.3788/aos201535.1208003

史浩东，张新，李英超，等 . 光瞳离轴自由曲面光学系统像差特性分析［J］. 光学学报， 2017 ， 37 （ 12 ）： 1208001 .

SHI H D ， ZHANG X ， LI Y CH ， et al . Analysis of aberration properties of pupil off-axis freeform surface optical system ［J］. Acta Optica Sinica ， 2017 ， 37 （ 12 ）： 1208001 . （in Chinese）

周泽龙 . 投影光刻物镜偏振像差研究［D］. 长春：中国科学院（长春光学精密机械与物理研究所）， 2018 . doi: 10.29026/oea.2018.170003 http://dx.doi.org/10.29026/oea.2018.170003

ZHOU Z L . Study on Poalrizations of Projection Lithography Lens ［D］. Changchun ： Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences ， 2018 . （in Chinese） . doi: 10.29026/oea.2018.170003 http://dx.doi.org/10.29026/oea.2018.170003

CHIPMAN R A . Mechanics of polarization ray tracing ［J］ Optical Engineering ， 1995 ， 34 （ 6 ）： 1636 - 1645 . doi: 10.1117/12.202061 http://dx.doi.org/10.1117/12.202061

SHRIBAK M I ， INOUE S ， OLDENBOURG R . Polarization aberrations caused by differential transmission and phase shift in high numerical aperture lenses： theory， measurement， and retification ［J］ Optical Engineering ， 2002 ， 41 （ 5 ）： 943 - 954 . doi: 10.1117/1.1467669 http://dx.doi.org/10.1117/1.1467669

CHIPMAN R A ， CHIPMAN L J . Polarization aberration diagrams ［J］. Optical Engineering ， 1989 ， 28 （ 2 ）： 100 - 106 . doi: 10.1117/12.7976915 http://dx.doi.org/10.1117/12.7976915

TOTZECK M ， GRAUPNER P ， HEIL T ， et al . How to describe polarization influence on imaging ［C］. Microlithography 2005 . Proc SPIE 5754， Optical Microlithography XVIII， San Jose， California， USA . 2005， 5754 ： 23 - 37 . doi: 10.1117/12.599908 http://dx.doi.org/10.1117/12.599908

廖延彪 . 偏振光学［M］. 北京：科学出版社， 2003 ： 45 - 63 . doi: 10.1002/bies.v25:11 http://dx.doi.org/10.1002/bies.v25:11

LIAO Y B . Polarization Optics ［M］. Beijing ： Science Press ， 2003 ： 45 - 63 . （in Chinese） . doi: 10.1002/bies.v25:11 http://dx.doi.org/10.1002/bies.v25:11

YUN G ， CRABTREE K ， CHIPMAN R A . Three-dimensional polarization ray-tracing calculus I： definition and diattenuation ［J］. Applied Optics ， 2011 ， 50 （ 18 ）： 2855 . doi: 10.1364/ao.50.002855 http://dx.doi.org/10.1364/ao.50.002855

YUN G ， MCCLAIN S C ， CHIPMAN R A . Three-dimensional polarization ray-tracing calculus II： retardance ［J］. Applied Optics ， 2011 ， 50 （ 18 ）： 2866 . doi: 10.1364/ao.50.002866 http://dx.doi.org/10.1364/ao.50.002866

梁铨廷 . 物理光学［M］. 北京：电子工业出版社， 2012 ： 36 - 38 .

LIANG Q T . Physical Optics ［M］. Beijing ： Publishing House of Electronics industry ， 2012 ： 36 - 38 . （in Chinese）

浏览量

1021

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于自由曲面的空间光学系统偏振像差分析

透射式旋转对称光学系统中的偏振像差分析

二维大视场离轴反射式光学系统设计

渐进多焦点自由曲面镜片优化重构

KDP\DKDP倍频晶体主截面定位方法