小型化人眼像差校正仪光学系统设计

为了实现活体人眼视网膜的高分辨率成像,需要实时校正人眼的动态变化像差,尤其是高 阶像差.设计了一套基于液晶空间光调制器的小型化人眼像差实时校正光学系统.该光学系统分别采用夏克-哈特曼波前传感器和液晶空间光调制器来探测和校正波前畸变.探测光采用790nm近红外光,成像光采用570nm可见光.系统设计尽量少采用透镜,减小了系统的体积、光能损失和系统自身可能引入的像差.使用开环模式可以提高光能利用率和系统的稳定性,而双波长模式可以增大视场,实现不同波长的成像,而且可以实现瞬间强曝光成像.用ZEMAX软件对光学系统进行模拟分析,表明该系统可以达到衍射极限的水平,MTF=0.5@31 cycles/mm(对应视网膜上4μm),MTF=0.3@48 cycles/mm(对应视网膜上2.6μm).实验结果证明:该系统光能利用率高,杂光干扰小,方便灵活.     

液晶自适应光学扫描激光检眼镜的光学系统设计

设计了一套液晶自适应光学扫描激光检眼镜,采用790 nm近红外光进行波前探测、视网膜成像以增加受试者的舒适度:采用离轴反射式结构以避免透镜表面的杂散光对探测和成像的不利影响;采用开环校正模式以提高系统稳定性和能量利用率(比闭环高约1倍).利用ZEMAX软件对成像系统进行模拟分析,证明系统自身可以达到接近衍射极限水平,MTF@33 cycles/mm=0.38(对应视网膜上4 μm),MTF@44 cycles/mm=0.2(对应视网膜上3 μm),轴向分辨率约80 μm,满足设计要求.     

开环液晶自适应光学系统:研究进展和结果

对于自适应光学系统,液晶波前校正器是一个非常有前景的波前校正器件。传统的向列相液晶波前校正器的主要缺点是偏振依赖和工作波段窄。采用了基于偏振分束器的开环光路设计和优化的能量分割方法来分别解决上述问题。结果显示,开环光路非常适合于液晶波前校正器,且新颖的能量分割方法显著提高了液晶自适应光学系统的探测能力。     

高度屈光不正人眼的视网膜自适应成像系统

为了更好的利用液晶自适应成像系统进行具有较大屈光不正人眼像差校正及视网膜的成像,建立了一套基于低阶像差自补偿的眼底自适应成像系统。该系统采用基于人眼调节特性的光学系统进行屈光补偿,用夏克哈特曼波前传感器进行实时的波面探测,将探测所得波前畸变进行波前重构,通过LCOS波前校正器进行高阶像差的波面校正提高系统成像质量。经过校正后系统波前误差得到有效控制。光学系统的分辨率接近70 lp/mm,已经到达该光学系统的衍射极限分辨。可以得出:液晶自适应视网膜成像系统可以满足高度屈光不正情况下的人眼视网膜成像要求。     

双波段红外光学系统设计与像质评价

双波段/多波段成像技术受到普遍重视,使得双波段光学系统特别是中、长波红外成像系统成为研究的热门之一。设计了折反射式光学系统、离轴三反射式光学系统和全折射式光学系统,分析了3种不同类型光学系统及其成像性能。采用了能同时响应中、长波红外的探测组件,系统的主要技术指标为:工作波段3~5 m、8~12 m,F/#=2,2=5.74,f=100 mm,全视场畸变2%,空间频率16.7 lp/mm处的MTF0.4。对3种不同类型系统的特点进行分析和研究,给出了各种像差曲线和光学传递函数曲线,总结了3种不同类型光学系统的优缺点。     

基于自由曲面双波段离轴三反光学系统的优化设计

在航空遥感领域中,双波段光学系统是最具代表性的光学系统。与单一波段光学系统相比,双波段系统可以同时探测到背景信号和目标信号,从而获得更准确的信息。采用离轴反射系统这一方案与折射系统相比,在满足更长焦距的同时,又能实现光学系统小型化的目标。本文提出一种基于自由曲面的反射系统作为设计蓝本,能够获得如下优点:视场角更大,光路容易折叠,系统成像质量高,能够达到高分辨率成像以及系统的轻量化设计。本文采用动态光学理论对系统初始结构进行求解并通过对系统元件的倾斜与偏移计算获得离轴系统,系统引入自由曲面获得更加优质的成像质量。系统参数如下:焦距为2000 mm,相对孔径为1/2,视场角为6°×1°,工作波段为3~5 μm与8~12 μm,选用法国Sofradir公司生产的红外双色焦平面阵列非制冷型探测器;设计结果表明,加入自由曲面后系统的成像质量得到了明显改善,系统在整个工作波段内MTF值在14 lp≥0.3。     

基于LCTF的艇载多光谱CCD相机的光学系统设计

提出了一种基于液晶可调谐滤光片(LCTF)多光谱CCD相机光学系统设计方案,该光学系统焦距60 mm,F数为3.5,谱段范围400～720 nm,视场角16.6°.采用前置扩束光学系统获得满足液晶可调谐滤光片孔径、视场角要求的光束,后继成像系统采用双高斯型结构,像质分析表明,此设计能够满足使用要求,在谱段范围内,16个波段都能清晰成像,满足实际工程需要.     

双波段红外光学系统无热化设计

针对制冷型320×256双色焦平面阵列探测器,设计了一套双波段红外光学系统,用于机载光电探测设备。光学系统采用锗、硒化锌和硫化锌组合实现了无热化设计;通过引入非球面和谐衍射元件,很好地校正了系统的色差和轴外像差,简化了系统结构。光学系统仅由6片镜子构成,工作波段为3.7~4.8μm/7.7~9.5μm波段,F数为2,满足100%冷光阑效率。像质评价结果表明,光学系统在-60~+70℃全温度范围内,双波段成像质量良好。     

液晶自适应光学在人眼眼底高分辨率成像中的应用

为了获得人眼眼底高分辨率图像,将液晶自适应光学(AO)技术引入到传统检眼镜中,采用基于夏克-哈特曼波前探测器(sHwS)和硅基液晶空间光调制器(LCOS-SLM)的自适应光学系统来校正人眼的高低阶像差,获得了细胞量级的高分辨眼底图像,为眼科疾病及其相关疾病的早期诊断提供了有力工具.采用闭环和开环两种校正模式,都获得了清晰的眼底图片,认为液晶自适应光学系统在活体人眼眼底高分辨率成像上具有巨大潜力.     

红外双波段/双视场望远系统设计

红外双波段/双视场光学系统能提升红外系统的探测能力,为了满足探测要求,提出了双波段/双视场红外望远光学系统的设计方法,设计了一种双波段/双视场红外望远光学系统,采用切换式视场变换方式,使用了锗、硒化锌和氟化钡3种光学材料。仿真结果表明,该系统结构简单,像质良好,在16 lp/mm处的MTF值大于0.5。     

单透镜高分辨成像系统的研究和设计

单片凸透镜由于存在较大像差，在实际应用中难以单独成像，相对孔径越大，单片凸透镜的成像质量越差，通常使用多片透镜以进行像差校正。针对单凸透镜成像质量差的的问题，提出了采用液晶空间光调制器和微扫描光楔实现单片凸透镜的高分辨成像。采用Zygo干涉仪测量单透镜波前，结合Zemax软件模拟得到经单透镜后的畸变波前，利用泽尼克多项式描述畸变波前，并绘制对应共轭波前的灰度图加载于液晶空间光调制器上，校正波像差；通过旋转楔角为21的光楔进行22微扫描，将四幅低分辨率图像经过Keren配准后以结构适应的归一化卷积法合成为一幅高分辨率图像。实验结果表明，图像分辨率MTF50达到1 348 LW/PH，成像质量明显提高。     

动态红外场景生成新技术

总结了目前用于半实物仿真的红外场景生成技术的新进展,介绍了几种典型的新技术,例 如:超大阵列规模的薄膜镜光调制器场景生成技术、中波红外LED 阵列红外场景生成技术、基于聚合 液晶的红外液晶光阀红外场景生成技术、一种新型的用于半实物仿真场景生成投影系统的电子束寻 址反射型空间光调制器、一种基于微型发射器的红外场景生成技术、基于MEMS 技术的单层锗化硅 红外宽波段微发射器阵列红外场景生成技术等。最后对红外场景生成技术的未来发展方向和趋势作 了分析和展望。     

液晶空间光调制器用于光束偏转控制的衍射效应

液晶空间光调制器(LC-SLM)能实现光束动态偏转,而它的像素结构以及相位回卷方法造成的衍射效应使其光效率降低.通过数值仿真和实验分析了像素结构造成的衍射效应,给出了像素填充因子和衍射效率的关系.利用256 pixel×256 pixel的液晶空间光调制器构建动态光束偏转实验装置,使入射光束偏转不同角度时测量远场光斑强度,得到衍射效率随光束偏转角的变化关系.理论分析与实验结果表明,填充比越小,像素结构造成的衍射效应越强,衍射效率降低;当填充比为0.85时衍射效率的测量值仅为51.3%.相位回卷方法使液晶空间光调制器形成类似闪耀光栅结构,随着光束偏转角度的增大,衍射效率降低.     

基于液晶空间光调制器的光束偏转控制

液晶空间光调制器(LCSLM)通过实时调制波前倾斜实现光束偏转,与传统的快反镜相比,具有非机械调制、体积小、功耗低、轻巧灵敏等优点,可应用于空间光通信中。简单介绍了液晶实现光束偏转的原理,并测试了LCSLM的调制特性,根据调制特性设计基于LCSLM的光束偏转闭环系统。实验结果表明LCSLM能有效地抑制光束抖动,使相对误差小于±1.75%。分析了LCSLM的衍射效率对于光束质量的影响及液晶响应速度、系统传输时延和算法复杂度对控制系统带宽的制约。     

阵列分束激光三维成像技术

针对现有激光三维成像中使用的面阵APD探测器相邻像元间隔较大,导致激光利用率低从而影响探测距离的缺点,提出阵列分束激光三维成像技术。该技术对激光发射源采用液晶空间光调制器进行衍射阵列分束,将一束激光分成与阵列APD探测器相应的阵列子光束,调整激光发射子光束和阵列APD探测器的位置,使得子光束照射目标后聚焦到阵列APD探测器的像元上,提高了整束激光的利用效率。介绍了阵列分束激光三维成像技术系统组成和工作原理,提出采用液晶空间光调制器的方法实现阵列分束的方案,研制了阵列分束激光三维成像原理样机,利用研制的原理样机对采用阵列分束后的效果进行了验证。实验结果表明,采用该技术后,采用峰值功率10 kW、脉宽8 ns的激光源,填充因子2/3的88 APD,三维成像作用距离达到510 m,同等条件下与不分束相比,作用距离提升39.1%。     

基于相位型空间光调制器的光束控制技术研究

非机械伺服控制的液晶空间光调制器（LCSLM ）通过控制加载在每个像素上的电压能够实时调制波前相位实现光束偏转,基于菲涅耳透镜模型和闪耀光栅模型验证了光束偏转控制能力,包括偏转距离、衍射效率与不同模型参数之间的关系,入射光波长为1550 nm时,x轴或y轴可实现的最大偏转角度为6.96°(±3.48°),光束能够在光轴方向与二维平面偏移。针对光束的高速灵敏、精准和大角度的扫描应用需求,提出了基于LCSLM的光波前相位调控算法,通过计算需要补偿的相位建立相位变换模型并满足光束控制流程,设计并构建了基于LCSLM的光束偏转及扫描实验系统,实验结果表明光场中任意位置的光斑可在接收视场360°范围内灵活偏移控制。该研究对于自由空间无线光通信、光束敏捷控制、非机械式光束的捕获瞄准跟踪等领域具有重要的应用价值。     

基于样条插值的液晶空间光调制器衍射效率优化方法研究

针对液晶空间光调制器阵元间相位调制量偏差降低光束衍射效率的问题,提出基于样条插值的液晶空间光调制器衍射效率优化方法。依据泰曼-格林干涉原理,搭建了相位调制系统。对调制器加载阶梯变化的灰度图,通过计算干涉条纹移动量,绘制液晶空间光调制器相位调制曲线。采用三次样条反插值法对相位调制曲线进行校正,实现对相位调制量的相位补偿。搭建液晶空间光调制器衍射效率测试系统,对所提优化方法进行实验验证,并与随机梯度下降法进行了对比。结果表明:当光束偏转角度为1.56°、0.78°、0.39°、0.19°时,文中所提方法提高了30%~40%的光束衍射效率,相较于随机并行梯度下降法,衍射效率提高了2%~8%。该方法有效抑制了栅瓣能量,提升了主瓣光束衍射效率,克服了随机并行梯度下降法迭代次数多,优化速度慢,易陷入局部最优的缺点。     

基于光强选通成像的液晶透过谱研究

为了更好地将液晶器件应用于选通成像系统中,从理论上推导出了液晶器件透过率与波长、折射率、电压之间的关系。从双折射率与光强的关系定量分析了扭曲向列相液晶的色散效应。用光栅光谱仪选择380～1100nm波段,以SONY公司LCX023CMT型号的TFT-LCD为样品,测试了液晶器件在不同灰度级和波长下的透射率。研究结果表明:液晶器件在可见光波段色散较小,随着灰度值的增加,色散增大;通过自制的光强局部选通成像系统对同一物体进行了对比拍摄,选通后的照片表明液晶器件的色散对成像质量影响不大;该液晶器件对红外光线有近12%的透过率,证明其可以实现近红外波段的强光局部选通成像。     

单透镜菲涅尔计算全息显示系统中多级像和零级光的去除

为了消除多级像和零级光的干扰,提出了一种单透镜结构的系统,获得了单一无扰的再现像.使用Gerchberg-Saxton(GS)算法获得菲涅尔全息图,预先叠加倾斜平面波相位至菲涅尔全息图上,使再现像移至中央位置.用成像透镜将空间光调制器(SLM)后方的虚像成像至前方,同时在成像透镜后方放置空间滤波器,滤去多级像和零级光.调整透镜与SLM的位置可方便调整再现像的大小和位置,缩短了光学系统的长度.利用虚像的方法为基于液晶SLM的计算全息显示提供了新的思路.