什么是離軸光學(xué)系統(tǒng)？

離軸光學(xué)系統(tǒng)是一種特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是光圈的光軸與光圈的機(jī)械中心并不重合。這種設(shè)計(jì)的主要目的是為了避免二次光學(xué)元件、儀器包裹或感測(cè)器遮蔽到主光圈，并且提供儀器套裝軟件或感測(cè)器隨時(shí)進(jìn)入焦點(diǎn)的機(jī)會(huì)235。離軸光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)將光線沿著不同的光軸傳播，實(shí)現(xiàn)了光線的發(fā)散或匯聚，從而提供了更大的視場(chǎng)角和更好的像差校正能力1。這種系統(tǒng)常用于高分辨率顯微鏡、天文望遠(yuǎn)鏡和光譜儀等應(yīng)用中。

在光學(xué)設(shè)計(jì)中，離軸方式包括偏振離軸和非偏振離軸兩種方式，這兩種方式有一些區(qū)別。偏振離軸考慮了光束的偏振狀態(tài)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響，在光束經(jīng)過(guò)離軸元件時(shí)，偏振方向可能發(fā)生變化并引起偏振畸變10。此外，離軸光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還涉及到使用高次非球面來(lái)滿足系統(tǒng)多種性能的要求，以及利用“縫合”技術(shù)檢測(cè)離軸非球面面形的方法812。

離軸光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到多種技術(shù)和理論的應(yīng)用。例如，矢量像差理論可以用來(lái)描述非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)的像差特性，這對(duì)于離軸光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義15。此外，離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究表明，通過(guò)對(duì)初始結(jié)構(gòu)求解方法的研究和不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)例設(shè)計(jì)，可以有效地進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化9。

離軸光學(xué)系統(tǒng)是一種通過(guò)調(diào)整光軸與機(jī)械中心的位置關(guān)系，以及采用特定的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，以實(shí)現(xiàn)高性能光學(xué)成像的技術(shù)。這種系統(tǒng)在提高視場(chǎng)角、改善像差校正能力等方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工程實(shí)踐中。

什么是偏振離軸光學(xué)系統(tǒng)，以及它與非偏振離軸光學(xué)系統(tǒng)的具體區(qū)別是什么？

偏振離軸光學(xué)系統(tǒng)是一種考慮光束的偏振狀態(tài)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)影響的離軸方式。在偏振離軸光學(xué)系統(tǒng)中，光束的偏振狀態(tài)被納入考量，以分析和優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的性能17。這種系統(tǒng)特別適用于需要高精度成像的特殊光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)掌握自由曲面對(duì)離軸光學(xué)系統(tǒng)的偏振像差的作用機(jī)理，可以調(diào)控光學(xué)系統(tǒng)的偏振像差分布，滿足高精度成像的需求19。

與非偏振離軸光學(xué)系統(tǒng)相比，主要區(qū)別在于是否考慮光束的偏振狀態(tài)。非偏振離軸光學(xué)系統(tǒng)不考慮光束的偏振狀態(tài)，而偏振離軸光學(xué)系統(tǒng)則將光束的偏振狀態(tài)作為設(shè)計(jì)和分析的重要因素之一。例如，在具有自由曲面的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)中，非偏振效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的偏振成像質(zhì)量和測(cè)量有顯著影響，而在偏振離軸光學(xué)系統(tǒng)中，通過(guò)利用條紋Zernike多項(xiàng)式自由曲面的偏振像差分析方法，可以更有效地處理這些偏振效應(yīng)問(wèn)題18。

此外，偏振離軸光學(xué)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用也涉及到使用瓊斯矩陣、數(shù)字微鏡器件（DMD）等技術(shù)手段來(lái)分析和補(bǔ)償偏振像差，以提高系統(tǒng)的分辨率和目標(biāo)檢測(cè)精度2326。這表明偏振離軸光學(xué)系統(tǒng)在處理偏振效應(yīng)方面具有更高的靈活性和精確度，能夠更好地滿足特定應(yīng)用場(chǎng)景下的需求。

離軸光學(xué)系統(tǒng)中高次非球面的使用原理及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響如何？

離軸光學(xué)系統(tǒng)中高次非球面的使用原理主要是通過(guò)改變光學(xué)元件的曲率半徑，使其隨著中心軸而變化，從而改進(jìn)光學(xué)品質(zhì)。這種設(shè)計(jì)能夠有效減少光學(xué)元件的數(shù)量，降低設(shè)計(jì)成本，同時(shí)提高系統(tǒng)的相對(duì)孔徑和視場(chǎng)角，校正系統(tǒng)像差等3032。高次非球面可以分為單調(diào)子午曲線的表面和非單調(diào)表面，其中非單調(diào)表面的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在形成變形像的光學(xué)系統(tǒng)中3334。

對(duì)系統(tǒng)性能的影響方面，使用高次非球面能夠顯著改善光學(xué)系統(tǒng)的性能。它不僅能增加光學(xué)設(shè)計(jì)的自由度，有利于校正像差、改善像質(zhì)，還能減少光學(xué)元件的數(shù)量、減輕質(zhì)量、簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，顯著縮小系統(tǒng)的尺寸、降低成本3136。例如，在一個(gè)無(wú)中間像的離軸三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)利用高次非球面來(lái)滿足系統(tǒng)多種性能的要求，如焦距、彗差、像散及場(chǎng)曲等條件下的優(yōu)化，以及中心遮攔、工作距等外形尺寸的約束要求或降低27。此外，緊湊式離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)使用高次非球面，實(shí)現(xiàn)了在奈奎斯特頻率處MTF值大于0.6，保證了良好的成像質(zhì)量28。

離軸光學(xué)系統(tǒng)中高次非球面的使用原理是通過(guò)改變光學(xué)元件的曲率半徑，以改進(jìn)光學(xué)品質(zhì)并簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其對(duì)系統(tǒng)性能的影響主要體現(xiàn)在能夠有效改善光學(xué)系統(tǒng)的性能，包括但不限于校正像差、改善像質(zhì)、減少光學(xué)元件數(shù)量、減輕質(zhì)量、簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)等方面，從而提高光學(xué)系統(tǒng)的整體性能和降低成本。

“縫合”技術(shù)在離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)是什么？

“縫合”技術(shù)在離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在通過(guò)特定的設(shè)計(jì)方法，如雙通結(jié)構(gòu)或基于Zernike自由曲面的緊湊式設(shè)計(jì)，來(lái)提高系統(tǒng)的性能和效率。具體來(lái)說(shuō)：

雙通結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：在離軸三反雙通光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光束僅通過(guò)每個(gè)光學(xué)元件一次，但通過(guò)雙通結(jié)構(gòu)可以增加同一表面光束反射的次數(shù)。這種設(shè)計(jì)不僅能夠使得系統(tǒng)更加緊湊，還能在使用與傳統(tǒng)系統(tǒng)相同的元件的情況下，降低成本，提高系統(tǒng)的整體性能37。

基于Zernike自由曲面的設(shè)計(jì)：緊湊式離軸三反光學(xué)系統(tǒng)采用基于Zernike自由曲面的設(shè)計(jì)，滿足了長(zhǎng)焦距、小畸變和寬工作波段的要求。這種設(shè)計(jì)方法有助于實(shí)現(xiàn)空間光學(xué)系統(tǒng)尺寸的小型化、結(jié)構(gòu)的緊湊化以及高分辨率的需求，對(duì)于地球遙感觀測(cè)和星載激光雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域具有重要意義40。

無(wú)遮攔、無(wú)色差等優(yōu)點(diǎn)：離軸反射光學(xué)系統(tǒng)因其無(wú)遮攔、無(wú)色差、光路可折疊、便于輕量化等優(yōu)點(diǎn)，在空間光學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這些特性使得離軸光學(xué)系統(tǒng)在處理非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)，雖然存在非對(duì)稱像差不易校正的問(wèn)題，但通過(guò)“縫合”技術(shù)的應(yīng)用，可以有效地解決這一問(wèn)題，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能38。

“縫合”技術(shù)在離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要通過(guò)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法（如雙通結(jié)構(gòu)和基于Zernike自由曲面的設(shè)計(jì)）來(lái)提高系統(tǒng)的性能和效率，包括但不限于系統(tǒng)的小型化、結(jié)構(gòu)的緊湊化、成本的降低以及高分辨率的實(shí)現(xiàn)。這些優(yōu)勢(shì)使得離軸光學(xué)系統(tǒng)在空間光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛和有效。

矢量像差理論在離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的具體應(yīng)用方法有哪些？

矢量像差理論在離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的具體應(yīng)用方法主要包括以下幾個(gè)方面：

自由曲面優(yōu)化迭代算法：通過(guò)基于矢量像差理論的自由曲面優(yōu)化迭代算法，可以有效地對(duì)成像系統(tǒng)的像差進(jìn)行補(bǔ)償。這種方法通過(guò)精確控制透鏡的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)橫向偏心的調(diào)整，從而優(yōu)化成像系統(tǒng)的性能41。

機(jī)械補(bǔ)償式新型離軸三反變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)：利用初級(jí)像差理論和矢量像差理論，提出了一種機(jī)械補(bǔ)償式的新型離軸反射式變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。這種方法通過(guò)對(duì)初始結(jié)構(gòu)的確定和對(duì)初級(jí)像差方程的約束優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了滿足特定要求的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)42。

離軸反射光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)的離軸反射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在一定的局限性，如結(jié)構(gòu)像差較大和設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題。基于矢量像差理論的設(shè)計(jì)方法能夠有效解決這些問(wèn)題，通過(guò)光瞳離軸、視場(chǎng)離軸或二者結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)無(wú)遮攔設(shè)計(jì)，從而提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量4448。

緊湊型離軸三反自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案：在構(gòu)建初始離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，采用基于矢量像差理論的像差模型，并結(jié)合SA全局優(yōu)化算法來(lái)求解初始結(jié)構(gòu)。這種方法雖然在體積限制方面存在一定的挑戰(zhàn)，但能夠有效地評(píng)價(jià)成像質(zhì)量，為離軸光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種有效的解決方案45。

大視場(chǎng)離軸反射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：基于矢量像差理論，在解空間范圍內(nèi)獲得像差較小的無(wú)遮攔二次曲面初始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再利用費(fèi)馬原理計(jì)算得到自由曲面初始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種方法能夠確保自由曲面初始系統(tǒng)具有較好的成像質(zhì)量，適用于大視場(chǎng)離軸反射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)50。

矢量像差理論在離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在通過(guò)優(yōu)化迭代算法、機(jī)械補(bǔ)償式設(shè)計(jì)、無(wú)遮攔設(shè)計(jì)方法以及全局優(yōu)化算法等方面，有效地提高了成像系統(tǒng)的性能和成像質(zhì)量。

離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究中，哪些初始結(jié)構(gòu)求解方法被證明是有效的？

在離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究中，有效的初始結(jié)構(gòu)求解方法主要包括基于賽德爾像差理論的方法和基于自由曲面的方法。賽德爾像差理論是一種常用的解析法（代數(shù)法），通過(guò)初級(jí)像差方程組進(jìn)行約束優(yōu)化來(lái)求得滿足要求的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)51。此外，自由曲面的應(yīng)用也為離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的途徑，它通過(guò)校正非對(duì)稱像差，克服了傳統(tǒng)折射系統(tǒng)的材料限制，具有大口徑、小體積、輕量化、無(wú)色差等優(yōu)點(diǎn)52。

除了上述兩種方法，還有其他一些方法被用于光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)求解，例如PW法（光線光路計(jì)算法）和縮放法。PW法通過(guò)光線光路計(jì)算求取光學(xué)系統(tǒng)的像差值來(lái)判斷其成像質(zhì)量，需要在計(jì)算之前就知道光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)54?？s放法則是一種通過(guò)調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)各部件的比例來(lái)快速得到初步設(shè)計(jì)的方法54。

基于賽德爾像差理論的解析法（代數(shù)法）和基于自由曲面的方法是離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被證明有效的初始結(jié)構(gòu)求解方法。同時(shí)，PW法和縮放法也是在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中常用的有效方法