小型化复合孔径双波段观瞄系统设计

针对单一波段生物复眼孔径小、视距短、接收光谱窄等不足,设计了一种大孔径接收可见光、中波红外仿生复眼光学系统。由于集成光路体积大,子眼系统选择共光路的结构形式。基于入射窗和出射窗的物像共轭关系建立了子眼系统拼接的几何模型。通过设计中继转像系统,将子眼阵列所成的曲面像转换成平面像,解决了平面探测器接收曲面像的问题。整个复眼由37个子眼构成,子眼的焦距为30 mm,视场为20°,入瞳为10 mm,相邻子眼光轴夹角为16°,合并后的视场为116°。相对微透镜阵列式的复眼系统而言,该曲面仿生复眼系统探测距离更远、获取目标信息更全。子眼系统和接收系统的成像质量良好,在?40~+60 ℃温度范围内无热差影响。     

用于目标识别的紧凑型仿生复眼光学系统设计

大孔径仿生复眼光学系统兼顾了凝视大视场的同时,克服了生物复眼孔径小、视距短的缺陷。通过对仿生复眼视场拼接方法的分析,研究了实际阵列周期与理论计算周期数的关系,并提出了降低子眼系统密度的填补子眼法。通过研究球面固定本体设计中的几何关系,建立了本体径向半径d与曲率半径R的数学关系,提出了球面固定本体的设计方法,完善了之前提出的仿生复眼视场拼接理论。通过实际的装调实验,验证了设计方法的正确性。利用该方法可提高仿生复眼系统的集成性,减小系统尺寸,推动了仿生复眼光学系统的实际应用。     

曲面复眼中对数型锥透镜成像特性研究

提出利用对数型锥透镜的焦线特性解决球面复眼系统成像过程中球透镜离焦问题.设计锥透镜焦深范围满足复眼系统各个子眼通道成像.通过仿真分析,研究了对数型锥透镜的轴上与离轴成像特性;利用金刚石切削技术和翻模技术实现该锥透镜的批量制造.实验检测结果表明,锥透镜焦线范围内轴上成像光斑直径保持一致;离轴成像时产生的十字光斑,可以通过提取交叉点,确定复眼系统子眼通道离轴成像光斑中心位置.该设计方案可用于消除球透镜固有离焦发散现象,提高复眼中各子眼对其视场内各方向光线成像光斑中心的定位精度,有效改善复眼成像质量.     

紫外光散射通信中一种二级光学接收系统设计

介绍了大气紫外光通信的特点和光学天线的性能指标,仿真分析了传统的复合抛物面聚光器(CPC)和半球透镜在非视距紫外信道中的聚光性能,设计了一种二级接收的光学聚光系统,并使用ZEMAX软件进行光线追迹,对其光学增益及视场进行分析.结果表明,这种二级光学系统有较高的增益及较大的视场,适合作为非视距紫外光通信中的光学天线.     

应用光学自由曲面的曲面结构大视场仿生复眼系统

受限于制造技术,大多数仿生复眼的传感器为平 面结构,与生物复眼的曲面结构存在差异,限制了其成像质量和视场 扩展。本文设计制造了一个模拟生物复眼结构的大视场仿生复眼,将16mm CCD传感器组成2×8的曲面阵列,并 设计制造了配套的单层结构的曲面2×8透镜阵列,各透镜与传感器成 一一垂直对应关系,贴合了生物复眼的结构特征,消除 了传统复眼的离轴像差。通过引入光学自由曲面和非球面,保证了单层结构透镜阵列的成像 质量,单层透镜阵列降低了系统 的制造及装配难度。系统实现了180°×75°视场范围内无盲区的图 像采集。实验结果表明,与传统鱼眼镜头相比,本文系统畸变更小,分辨率更高。     

大视场曲面仿生复眼光学系统设计

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题,设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先,针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式,建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型;再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题;并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°,组合系统的焦距为61.14 mm,角分辨率为2.304″,系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言,此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。     

非球面复眼设计及其制备工艺研究

提出了一种制备非球面仿生复眼的方法。昆虫的复眼是由一个个尺寸微小的独立小眼沿曲面小眼阵列的方式分布在头部的两侧,以实现大视角探测。设计曲面基底上阵列非均匀微透镜结构,沿径向排列的各级微透镜的焦距及尺寸均不相同。根据几何光学成像原理,计算各级微透镜的尺寸参数,对构建的模型进行光线追迹,优化各级微透镜的尺寸参数。分析不同制备技术特点,研究材料性能及不同材料间的关系,提出了可简单、快速的制备非球面仿生复眼的方法。该方法中,利用精密五轴数控机床加工非球面复眼模具,然后通过压力灌注方法将非球面复眼结构转移出来,获得所需的非球面仿生复眼。通过仿真及实验结果表明,整个曲面仿生复眼边缘成像质量明显提高,各子眼通道均能够采集清晰亮斑。     

超快激光仿生复眼加工研究进展

作为一种典型的微纳光学元件,仿生复眼微视觉系统有机结合了光子学与微纳米技术的前沿科学成果,在机器人视觉导航、无人驾驶、微型飞行器系统等前沿领域具有广阔的应用前景。超快激光加工作为一种先进的制造技术,具有真三维加工、适用多种材料、微纳加工精度等优异特征,已成为制造多级结构仿生复眼视觉系统的理想工具。本文介绍了自然界昆虫复眼的结构特点,阐述和分析了各类型仿生复眼的超快激光加工研究进展,包括平面微透镜阵列、超疏水复眼透镜和大视场复眼透镜,最后分析了超快激光加工技术制备复眼透镜存在的问题和发展趋势,为仿生复眼视觉系统的进一步研究与开发提供有效参考。     

用于运动目标探测的球面复眼透镜的结构设计

提出了一种球面复眼成像系统的结构设计方案.基于电场操控液滴透镜面形可实现变焦的技术,在球壳基底上制作非球面液滴透镜并用电场改变其焦距以满足不同视场角的成像要求,通过折转透镜将不同视场角的入射光聚焦在平面CCD的不同位置,从而在获得大视场的同时改善了边缘光线的成像质量.讨论了非球面液滴透镜的制备过程,设计了球面复眼透镜系统的结构,并利用ZEMAX软件进行光学建模,分析了单个通道的成像性质以及各个通道在成像平面上的位置关系.结果表明:该结构在±45°视场角内对边缘光线的成像质量有明显的改善作用,在大视场成像的同时保持了低像差,可以满足运动目标检测的应用要求.     

基于六边形紧密拼接结构的仿生复眼系统设计

基于仿生复眼的视觉优势,分析了仿生复眼的研究进展,对复眼的成像原理及部分昆虫复眼的结构进行了研究。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形紧密拼接形式的曲面微透镜阵列及转像系统。同时,为了防止相邻子眼间的成像光束串扰,设计了单个光阑长度为1.5 mm的光阑阵列,实现了各子眼的单通道成像。根据光瞳衔接原则,对微透镜阵列和转换系统进行组合并优化。整个复眼的口径为8.66 mm,视场角为121°,每个子眼的口径为500 μm,子眼视场角为6°,在90 lp/mm处,复眼系统的MTF值均大于0.3,其RMS半径均小于艾里斑半径,系统成像质量达到设计要求。为满足3D增材制造工艺需求,设计了复眼系统的机械结构。公差分析结果表明,3D增材制造工艺可以满足系统的像质要求。     

空间光-光纤耦合技术进展与实验研究

总结了国内外空间光-光纤耦合技术在无线光通信中的研究进展,以提高空间光-光纤耦合效率为主线,介绍了西安理工大学在该领域的工作,包括空间光光纤耦合自动对准技术、自由空间光模式转换技术、空间光光纤耦合自适应光学波前校正技术、马卡天线的收发一体化技术。介绍了大气湍流中透镜阵列和单透镜耦合至单模光纤的耦合性能、大气湍流中马卡天线作为接收天线时的空间光耦合性能方面的研究进展。最后展望了无线光通信中的空间光-光纤耦合技术的发展前景。     

抗湍流大气衰落的光学阵列天线特性

针对湍流大气光传输特性,研究分析了一种光学阵列接收天线的特性.光学阵列接收天线在光路上使用移相器和耦合器等光学元件对光信号进行处理合并,使天线的输出信号的信噪比最大;根据对天线分析计算得到的信号分布特点,在天线合理分配安装和使用小尺寸透镜时,可增大光学系统视场角.经过仿真计算,与单透镜在相同接收条件下的接收端信号的信噪...     

室内走廊环境毫米波OAM信道特性分析与统计建模

针对自由空间传播模型仅能描述自由空间场景下携带轨道角动量(OAM)的涡旋信道传播特性,以及确定性稀疏多径涡旋信道模型严格依赖于传播环境而不能准确刻画真实多径场景下OAM信道传播特性的问题,该文提出毫米波OAM多径信道统计建模方法。在室内走廊环境下构建基于均匀圆形天线阵列(UCA)的OAM辐射传输系统,基于光学射线理论与UCA辐射特性,建立OAM多径信道模型。结果表明,在毫米波频段均匀分布和Nakagami-m分布能够准确地表征室内走廊多径环境下的OAM信道波前相位和幅度,视距(LoS)和非视距(NLoS)传播条件下传播距离较大时信道幅度服从瑞利分布,视距传播条件下传播距离较小时信道幅度服从莱斯分布。     

用二元光学元件简化相干激光雷达天线系统的光学设计

根据相干激光雷达小型化、轻量化、低成本和高性能的要求,采用小口径、平面基底的二元光学元件对外差探测、收发合置的相干激光雷达天线系统的结构进行简化.按照使用需要设计了一个透射式伽利略型天线系统,整个系统只用了一片大口径球面透镜,一片小口径球面透镜和一片小口径二元光学校正元件.设计参数为:发射系统物方视场角2ω=10°,出瞳口径Φ=100 mm ,束散角压缩比β=5×,激光光源波长λ=10.6 μm.设计结果为:光学天线系统的像质达到衍射极限.(OG10)     

一种掩埋式复眼微透镜阵列

模仿生物复眼,采用光刻离子交换法,在球面玻璃基片中制作了折射率呈三维梯度变化、排列紧密和光学性能良好的微透镜阵列。单元微透镜孔径呈正六角形,光斑大小为4．92μm,相邻透镜元中心距为0．5mm,掩埋透镜高为0．194mm。微透镜阵列具有对称均匀的光学特性,截距自中心至边缘逐渐变小,数值孔径（N．A．）自中心向边缘逐渐变...     

依据近轴光学理论求解双焦系统初始结构

为了快速得到双焦光学系统初始结构,依据近轴光学理论设计一款双焦、双视场光学系统。通过高斯光学理论及物像交换原则求解光学系统近轴光学元件的初始位置,分组将标准透镜插入到求解位置上,通过逐步增大近轴元件的焦距优化镜组及镜片间隔,使插入的透镜组焦距趋向该近轴元件焦距的理论计算值。以此类推完成每个镜组的优化设计。通过该方法设计了焦距为40/120 mm、视场为8.6°/2.9°的光学系统,所有镜片均为球面。在奈奎斯特频率100 lp/mm处,120 mm焦距时调制传递函数为0.58,接近衍射极限;40 mm焦距时调制传递函数为0.52。设计结果表明该方法适用于双视场光学系统,可快速得到光学系统初始结构,简化了设计难度。     

室内60 GHz毫米波无线信道参数及其相关性研究

基于典型的室内走廊环境,对60 GHz毫米波通信信道参数及其相关特性进行了研究.在视距和非视距条件下,分析了信道参数包括多径个数、均方根时延扩展、莱斯因子、阴影衰落的特点及其分布模型,研究了信道参数之间的相关特性.结果表明:在视距条件下各参数之间普遍具有较强的相关性,而在非视距条件下只有均方根时延扩展和多径个数之间的相关性较强.利用信道参数的相关特性可从一个参数来预测另一参数,为60 GHz无线通信系统的设计提供有用信息.     

Schmidt结构的改进型龙虾眼光学透镜研究

龙虾眼光学是解决大视场高能射线聚焦的关键技术。从成像光学的视角考察了龙虾眼光学系统的成像原理,制作完成了基于Schmidt结构的改进型龙虾眼光学透镜原理样机,并对该系统在可见光波段的性能进行了测试。该龙虾眼透镜由厚度为300 m的抛光铝板作为反射工作面,反射面成扇形排布,并具有完全对称的球形结构;反射面间夹角由特殊加工的角间距27.6'的楔板保证。原理样机的有效焦距为65 mm,中心张角为17.4817.48,其在空间各个方向上的成像能力几乎相同,可以满足空间大视场探测系统的任务需求。     

6G超大规模天线信道波束域传播特性分析

为了探明6G超大规模天线信道在波束域的信道传播特性,重点开展了无线信道测量实验与测量数据分析.首先,在典型城市场景下,开展了sub-6 GHz频段配置超大规模均匀线阵的视距(light-of-sight, LoS)和非视距(non-LoS, NLoS)信道测量实验;其次,划分若干子阵列,并分别使用高分辨率参数提取算法估计多径幅度、时延和角度;然后,根据不同的子阵列角度分辨率构建虚拟波束,将对应不同虚拟波束角度的多径进行分组及叠加.通过比较不同子阵列在相同角度对应的虚拟波束系数,发现传统天线域的空间非平稳特性在波束域表现不明显.通过分析不同虚拟波束的信道系数,可观察到波束域稀疏特性,并且LoS场景的稀疏特性更加明显.针对不同场景下各虚拟波束的多径数目、功率和均方根时延扩展进行拟合分析,可知分别服从高斯分布、高斯分布、均匀分布.此外,分析发现LoS场景下虚拟波束间相关性较低,而NLoS场景下虚拟波束间相关性随波束分辨率提高而增大.     

240Mbit/s直线运动型无线光通信系统研究

详细分析了直线轨道上运动通信的特点,设计和研制了一种具有双向收发功能的直线运动型无线光通信系统。该系统主要包括1 550 nm半导体激光器、高灵敏度PIN光探测器、球面单透镜式光发射天线和实心光锥耦合式光接收天线等关键部件。130 m运动工作距离的系统性能测试结果表明,在3.5 m/s最高运动速度、240Mbit/s通信传输速率下,运动中的数据丢帧率为零,以太网和视频指标均满足实际应用要求,系统适用于存在直线运动轨道的无线光通信场合。