点源透射比测试的高性能光陷阱技术研究

在高精度的点源透射比测试中,测试环境中背景杂散光的影响不可忽视。为了提高点源透射比的测试精度,研制了一种可有效抑制背景杂散光的高性能光陷阱系统。依据点源透射比测试理论和光辐射能量传输理论,给出了光陷阱主要设计参数与点源透射比测试误差的定量数学关系;提出了背景杂散光各级散射路径全面可控的光陷阱设计思路,大大增加了背景杂散光到达成像视场前的散射次数;通过多种光陷阱模型的仿真比对实验,验证设计思路和模型的优越性。实验结果显示:20 m的光陷阱系统可使口径2 m、外形尺寸约2.8 m3.5 m11 m的光学系统的点源透射比测试误差达到1.4910-10,较相同实验室空间下未使用光陷阱的测试系统降低了约4个数量级,较相同实验空间下国外现有光陷阱方案降低了两个数量级,可用于大型太空望远镜的高精度点源透射比测试。     

大视场红外折反光学系统杂散光分析

杂散光分析是保证光学系统成像质量的关键技术之一,根据红外光学系统杂散光的定义,指出大视场红外光学系统的杂光来源,以及杂光对系统的影响,并且建立了消杂光结构。在消杂结构中,为了减少内部辐射,遮光罩内部使用反射式挡光环。采用TracePro软件对系统进行建模、仿真分析,结果表明此红外光学系统的杂散光得到很好的抑制:太阳杂光抑制水平PST可以达到10-5～10-8,内部辐射到达像面杂散光能量量级为10-10 Ｗ,系统可以实现清晰成像。     

一种折反二次成像式长波光学系统的杂散光抑制

讨论了一种折反二次成像式长波红外光学系统的杂散光抑制方法,该光学系统采用R-C反射式结构和二次成像光路,用于小型低成本红外成像制导系统。利用LightTools软件仿真找出光学系统中的主要杂散光来源和传输路径,结合仿真分析结果设计出了合适的机械拦光结构。然后在LightTools中建立了光学机械结构模型针对杂散光抑制进行了迭代设计,并对杂散光抑制效果进行了仿真验证。设计的光学系统加工、装配完成后进行了太阳杂散光抑制试验,仿真和试验结果表明:太阳夹角7以外不存在杂散光干扰,可以满足系统杂光抑制要求。     

地球同步轨道红外相机的热辐射杂散光集成法

地球同步轨道上的三轴稳定卫星所处的空间环境复杂,仪器背景辐射变化较大。传统杂散光分析法无法模拟非均匀温度场,且无法实时计算仪器背景,仿真误差较大。提出用热辐射杂散光集成法来分析在轨红外相机的仪器背景辐射,通过更趋于在轨真实温度的且具有温度梯度的实时温度场,结合辐射传递因子,计算探测器上的仪器背景辐射以及相机的信杂比。将热辐射杂散光集成法、传统杂光分析法计算信杂比与在轨实测信杂比进行对比,热辐射杂散光集成法误差小于17%,而传统杂光分析法误差达114%。表明热辐射杂散光集成法的仿真结果更趋近于在轨实际情况,仿真效率和仿真精度更高。     

平板波导光谱仪中光栅多次衍射杂散光的抑制

平板波导光谱仪是一种紧凑型光谱仪,其光栅多次衍射杂散光大,需要进行抑制。首先研究了多次衍射杂散光的形成过程,并通过TracePro软件详细分析了多次衍射杂散光的传播路径和大小。然后根据杂散光的空间特性和波长特性对其进行分类,采取不同的抑制方法。在不改变原有光学结构的基础上提出了利用滤光片和挡光板来抑制多次衍射杂散光的方法,滤光片的参数和位置需要精心选择以达到最好的抑制效果。最后对增加抑制结构前后的杂光系数进行对比分析。结果表明,多次衍射杂散光得到了很好的抑制,最大杂光系数从5.3%降到0.033%,平均杂光系数从1.9%降到0.0018%。     

空间可见光相机的杂散光分析与抑制

当空间可见光相机对地物目标进行成像时,视场内外的辐射会引起像面上产生杂散辐射,从而降低相机的成像质量,严重时可能会造成相机无法正常工作。为了提高相机的成像性能,介绍了可见光系统中杂散光的产生机理及其抑制措施,建立了相机的光机模型,分析了系统的杂散光,改进了遮光系统的设计。利用建立的杂光系数测量装置测量了相机镜头的杂光系数,并验证了建模分析结果。     

中红外平面光栅光谱仪系统杂散光分析

为了抑制杂散光对中红外平面光栅光谱仪系统成像质量的影响,首先探讨了系统杂散光的来源,设计了遮光罩、挡光环和里奥光阑;然后针对用挡光板消除光栅衍射杂散光能力有限的问题,提出利用百叶挡光板和杂散光收集器组合来抑制杂散光的影响,并结合三维建模软件Solidworks和杂散光分析软件Tracrpro对系统进行了建模、分析和对比;最后针对某一型号红外热电堆阵列探测器并运用黑体辐射理论对其进行计算和分析,最终结果表明:光谱仪系统地气杂光抑制水平PST可以达到10-11,内部杂散辐射抑制能力有效发射率为1.3%,满足中红外平面光栅光谱仪系统杂散辐射的抑制要求.     

手持式拉曼光谱仪探头系统的杂光抑制新方法

手持式拉曼光谱仪的探头系统为光照明和光收集共光路系统,由此产生了除瑞利散射杂散光之外的由于照明激光多次反射的杂散光,成为此类探头系统必须解决的问题。根据获得的实际样机的结构数据,运用实际光线追迹的方法,通过建立合理的杂散光分析模型和理论计算,获得了杂散光聚焦大小和位置、出射方向、到达狭缝处能量大小等信息。根据对杂散光的分析,提出了在探头系统中采用黑点板遮挡杂散光的新方法,并确定了黑点板的大小和位置。光学仿真分析结果表明,此方法对激光反射杂散光的抑制水平达到10-13数量级,满足手持式拉曼光谱仪系统对杂散光的抑制要求。采用黑点板技术,还可以将到达滤光片上的入射角大于2°的约50%的激光反射光滤除。     

反射表面微变形的改进型龙虾眼透镜

龙虾眼透镜作为一种特殊的透射式反射聚焦元件,在X射线等高能领域具有重要的应用价值,并在可见光、红外波段具有潜在的应用前景。为提高龙虾眼透镜的成像质量,从理论方面分析了变周期闪耀光栅的衍射干涉因子以及衍射场情况,利用变周期闪耀光栅对龙虾眼通道内壁进行微整形,并且对经过微整形之后的一维龙虾眼结构进行了聚焦光场分布计算。通过与之前结构的仿真对比,结果表明:焦距为100 mm时,有效半口径为95 mm的现有结构在焦面处的弥散斑直径由10 mm减小至1 mm,光能集中度由75%增大至89.62%,并且在不同入射高度下焦平面处的光斑直径以及光能集中度均有提高。     

基于二维函数PST的离轴四反系统杂散光分析

离轴四反系统是顺应多光合一机载观瞄系统未来发展的光机核心部件。该类型系统容易受到视场外部强杂散光的影响,系统杂散光的点源透射率(PST)一般要求不大于10^-4量级,因此,对系统PST进行全方位扫描计算是分析和抑制其杂散光的关键。针对系统的非对称性,将PST作为随杂散光入射空间水平角和垂直角变化的二维函数,用以评价外部杂散光的影响,同时建立了水平角、垂直角与光机建模所需绕坐标轴旋转的过程量的对应转换关系,编制了仿真控制程序,通过调用LightTools软件实现杂散光的自动追迹和PST的二维扫描计算。对多光合一离轴四反系统,计算了整个入射半球空间内、所有方向的杂散光对应的PST分布情况,从而筛选出对机载观瞄应用影响较大的三路杂散光,寻找到其传输的路径和关键表面。基于此,设计了内部遮光罩和挡光环,优化系统内部的杂散光陷阱结构,使得系统的PST峰值由原来10^-1量级降低至10^-4量级,在规避角范围以外小于10^-7,可满足机载光电观瞄系统的使用要求。为离轴四反系统杂散光分析及抑制提供了依据。     

圆锥扫描中波红外光学系统的参数检测

介绍了圆锥扫描中波红外光学系统的参数检测的方法和基本原理,探讨了测试系统的调校方法,并针对系统装调和测试过程中成像不理想的问题,利用FRED软件进行了杂散光分析。通过分析发现,红外平行光管上的星孔基片上的高反金属膜产生的杂散光是造成弥散斑不清晰的主要原因,通过紧贴星孔外表面安装一个同心云母片抑制了该杂散光。此外,若圆锥扫描中波红外光学系统的校正镜镀膜透过率不够高,则会在红外探测器焦平面的4个角上产生规则形状的杂散光,可以在图像处理时通过软件程序算法来剔除其影响。最后进行了精度测试,测试结果表明:所研制的圆锥扫描中波红外光学系统的参数检测系统满足各项精度指标要求。     

反射光学系统杂散光的消除

成像光学系统中的杂散光会引起像质模糊和对比度下降,在对像质要求较高,或被探测的光能量微弱的情况下,必须对杂散光进行消除。R-C (Ritchey-Chretien)系统是卡塞格林系统的一种形式,在地面光电探测和空间对地观测等方面都有广泛应用。以焦距为2 m,相对孔径为1/4的R-C系统为例,介绍了利用计算机仿真技术进行消杂散光设计和评价的原理,结合CAD建模进行了主镜内遮光罩、外遮光筒、次镜百叶窗式遮光罩的设计。使用光线模拟追迹软件TRACEPRO建立的测试系统进行仿真测试,得到R-C系统的杂光系数为6.4%,证明了设计的可行性,为应用和进一步的优化设计提供了依据。     

Three-Dimensional Wave Optical Simulation for Image Sensors by Localized Boundary Element Method

A novel wave optical simulation method [a localized boundary element method (BEM)] has been developed. This method enables us to execute 3-D wave optical simulation with much smaller memory space and much shorter calculation time than conventional BEMs or finite-difference time domain methods. The light gathering power dependence on cell size and microlens height and distance, the color shading characteristics of inner lens structures, and the light gathering power and cross talk of light waveguide were analyzed by this method. A smaller cell needs a shorter focal length microlens, which can be realized by inner lens structures in CCD or the waveguide structures in CMOS image sensors. It is shown that this method can optimize these structures by calculating the color shading dependence on the microlens shape and the cross talk dependence on the waveguide materials. This method was found to be powerful and useful for the 3-D wave optical analysis of image sensors.     

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。     

仿生蛾眼抗反射结构成像系统研制

仿生蛾眼是一种具有抗反增透效果的微纳米结构,该结构采用化学沉银方法制作了随机分布的双面仿生蛾眼抗反射纳米结构透镜,平均透射率在97%以上。分析了相同参数组合条件下周期蛾眼结构和随机蛾眼结构的透射率情况,得出在设计波段内,随机蛾眼结构透射率优于周期结构的结论。采用蛾眼透镜进行相关参数的计算,利用CODE V平台设计了一款全蛾眼成像镜头。该蛾眼系统焦距为25.5 mm,F数为5,视场角13,光谱范围400～700 nm。经过成像对比试验显示,蛾眼镜头相比常规镀膜镜头而言,对鬼像、边缘眩光等杂散光具有很好的抑制作用。     

胶合式全景环形透镜的设计

介绍了一种新的胶合式全景环形透镜(PAL),改善了全景环形透镜的设计自由度,使全景透镜承担部分校正色差的任务,简化后继透镜组的结构,减少杂散光生成,缩小长焦距全景环形透镜光学系统的体积,并扩大系统的视场.对全景环形透镜的色差和视场进行了理论分析,给出了选择新型全景环形透镜胶合玻璃材料的方法.设计了一个双片胶合式全景环形透镜及其后继转像透镜组,系统焦距为10.3mm,总长170 mm,孔径为f/3.7,PAL最大口径为70mm,光谱范围为0.486-0.656 μm(可见光谱).后继转像镜组由8片透镜构成,系统后焦距(BFL)为17 mm.实验结果证明系统像差校正良好.     

星光半物理实验平台遮光罩设计新方法

详细论述了星光半物理实验平台用遮光罩抑制实验环境杂光的一种新的设计思想,用以最大程度地还原星光模拟器产生的模拟星光与周围暗背景的对比度,从而大大提高了实验检测精度。根据实验系统原理推导出一整套设计公式,并提出利用程序递推计算遮光罩内部挡光环位置和尺寸的新方法。在TracePro杂光分析软件中建立遮光罩实验模型,对遮光罩径向成1°～85°之间的18个偏角的平行光源进行杂光抑制情况模拟,通过计算得到不同偏角遮光罩杂光抑制能力曲线。仿真结果表明,杂光偏角为25°以上时,光通量抑制比下降到10-3量级。加工出实物在半物理仿真平台上进行检验,实际拍摄结果显示,以该方法设计的遮光罩能够有效抑制环境中的杂散光,还原星光模拟器的对比度,使CCD相机能够准确观测到6等以上的星,保证了实验系统的可靠性。