基于自由曲面的空间光学系统偏振像差分析

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,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3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,并分析了系统全视场的偏振像差.分析结果表明:相位像差分布与自由曲面面形矢高分布一致,自由曲面引起的二向衰减和相位延迟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的光学系统具有重要意义.     

折/衍混合消热差共形光学系统的设计

为了满足共形整流罩光学系统无热化工作的要求,基于硅、锗和硒化锌3种材料以及制作于整流罩内壁的衍射面设计了采用折/衍混合消热差方法的红外成像共形光学系统。介绍了共形光学系统像差特性以及衍射光学元件的像差、温度及色散特性,提出了利用可消像散的衍射面结构的温度补偿能力来设计共形光学系统消热差结构的方案,并设计了应用于中波红外成像结构中的万向支架式共形光学系统。软件分析结果表明,该系统充分利用了衍射光学元件的位相补偿,热膨胀系数小和色散因子大等特点,在-40～70℃能够较好地保证±20°搜索观察视场中的成像质量,且所有观察视场中的MTF值均大于0.43。     

折/衍混合消热差共形光学系统设计

为了满足共形整流罩光学系统无热化工作的要求,基于硅、锗和硒化锌3种材料以及制作于整流罩内壁的衍射面设计了采用折/衍混合消热差方法的红外成像共形光学系统。介绍了共形光学系统像差特性以及衍射光学元件的像差、温度及色散特性,提出了利用可消像散的衍射面结构的温度补偿能力来设计共形光学系统消热差结构的方案,并设计了应用于中波红外成像结构中的万向支架式共形光学系统。软件分析结果表明,该系统充分利用了衍射光学元件的位相补偿,热膨胀系数小和色散因子大等特点,在-40～70 ℃能够较好地保证±20°搜索观察视场中的成像质量,且所有观察视场中的MTF值均大于0.43。     

鱼眼镜头光学系统的优化方法

在鱼眼镜头成像系统中,光线以很大的入射角打在前组透镜表面时往往会造成严重的像差,为了压缩超大视场角,提出应用非球面前组负弯月型透镜来控制鱼眼镜头系统的像差。基于光学前组具有平面对称的成像特性,应用平面对称光学系统像差理论发展的评价函数,对非球面系数及其他的系统结构参数进行优化设计。应用评价函数及Zemax光线追迹成像模拟对优化系统进行评估。研究表明,应用非球面组负弯月型透镜能够显著地提高鱼眼镜头的成像质量。     

光学系统装配误差分析及装调路径优选

分析了透射式光学系统中透镜以球面接触形式和平面接触形式装配时,多种公差对透镜装配误差(倾斜误差和偏心误差)的综合影响,从光学公差和机械公差设计的角度综合评价光学系统公差设计的合理性。借助于光学元件的分划工艺和绕中心轴线旋转装入的角度,提出了透镜与镜筒装配位姿量化的确定方法及装调路径描述方法。利用光学设计仿真软件ZEMAX进行了基于MTF指标的公差灵敏度分析,从而进一步提出了基于误差权重因子的装调路径优选方法,并用三片式柯克物镜系统的装调验证了研究方法的合理性。     

自由空间量子密钥分配系统中接收端设计改进

对自由空间量子密钥分配系统中接收端设计进行改进研究。采用琼斯矩阵方法分析了系统误码率和接收端光学元件光学特性的关系。分析表明,用来随机选择测量基的器件——偏振无关分束器(NPBS)的偏振相移特性的误差是系统误码的重要来源。提出对光路布置的设计改进方案,在这一方案中,只对NPBS的透射p光与s光的相移差有性能要求,可以降低接收端NPBS的偏振相移误差对误码率的影响。采用改进后的NPBS和普通商品NPBS进行了室外200m量子密钥分配的对比实验。实验结果与理论预期符合基本一致,改进NPBS的设计及接收端光学系统的光路布置使系统误码率降低了2.6%,证明了对接收端设计方案改进的有效性。     

基于平面对称光学系统像差理论的折反射全景成像系统优化设计

全景成像技术在机器人、计算机视觉和虚拟现实领域有着重要的应用,与此同时也对其成像质量提出更高的要求。然而,对于此类大视场系统的设计较多地停留在光线追迹的方法,没有出现能对大视场像差进行参量化设计的方法。现将平面对称光学系统像差理论应用于此系统,得到关于光学参数的像质评价函数,采用差分进化算法解决多变量评价函数的优化问题,实现了一种折反射全景成像系统的优化设计,并用Zemax光线追迹软件证实了理论的正确性。结果表明,此类系统可以采用平面对称光学系统像差理论来优化设计,该思路是正确有效的。     

应用多个非球面优化鱼眼镜头的方法

对于鱼眼镜头一类光学系统,其超大视场的物点对于光学系统的成像,是符合平面对称光学系统的成像规律的。应用LU发展的平面对称光学系统的波像差理论,研究如何在鱼眼镜头光学系统中应用非球面对成像系统进行优化设计。首先,通过计算各个光学面的非球面系数对超大视场光学系统波像差的影响,找到受非球面系数变化影响最大的几个光学面;然后,以这几个面的非球面系数为变量,以光学系统调制传递函数作为评价函数,应用自适应归一化实数编码遗传算法,优化设计鱼眼镜头光学系统;最后,通过实例验证了所提出方法的有效性。所提出的方法可以有效地确定一个或多个最佳非球面的位置,对优化设计鱼眼镜头系统具有指导意义。     

基于波像差理论的实数编码遗传算法优化XUV光学系统

由镜和光栅组成的XUV光学系统具有平面对称的性质,结合Lu平面对称光栅系统的波像差理论和均方根像差评价函数得到用以优化XUV光学系统的多参量目标函数。为求解该多自变量且大取值区间的目标函数,提出了一种基于十进制的实数编码遗传算法,并将其用于两种XUV光学系统的优化求值。将求得的优化值用光学仿真软件Shadow进行追迹,并和参考文献进行对比。结果显示本文优化后的光学系统在成像质量上有明显上升,表明波像差理论及本文的实数编码遗传算法可以有效地优化XUV光学系统,为此类系统的优化设计提供了新的思路。     

基于ZEMAX用户自定义操作数的波前编码成像系统优化设计

针对目前波前编码成像系统中相位板的设计工作量大且未能考虑除相位板外其它光学元件像差的问题,提出了两种基于常用光学设计软件ZEMAX的优化设计方法:使用ZPL宏指令编写用户自定义操作数,优化点扩散函数的能量集中度和一致性,实现了旋转对称型相位板的设计,以斯托列尔比不小于0.8为衡量标准,设计结果使景深扩展到传统光学系统的5.5倍;使用在外部定义和编译的C程序编写用户自定义操作数,优化调制传递函数的离焦不变性,实现了奇对称型相位板的设计;以MTF离焦不变性为衡量标准,设计结果使景深扩展到传统光学系统的12.5倍,而同等条件下的三次方相位板只能使景深扩展到传统光学系统的10.1倍。得到的实验结果说明本文所述设计方法是方便而有效的。     

光纤隔离器隔离度偏振敏感性的实验研究

采用了 1 80°输入测量的新方法研究了光纤隔离器隔离度随着输入线偏振光偏振方向变化。并对其进行了详细的讨论与分析。研究的结果对于该类光纤隔离器的设计和测试具有一定的参考价值     

光学薄膜中的偏振效应

介绍了薄膜偏振效应的基本理论.光学薄膜在光倾斜入射时可等效为一线偏振器和一位相延迟器,这一特性可以用琼斯算法进行描述.利用薄膜的这一特性可以消除光学系统中不想要的偏振效应以保持光的偏振状态,也可以用来制作薄膜位相延迟片.用琼斯算法对YAG激光用全反射角立方反射镜的偏振特性进行了分析,并利用薄膜的偏振特性设计了两膜系对其进行了补偿;最后对一全介质高反射膜的相移特性进行了分析和优化设计,得到了一偏振保持高反射膜.     

高精度保偏光纤拍长测试

基于光相干域偏光测试技术,提出了一种高精度的保偏光纤拍长测试方法,实现了不同结构、不同尺寸保偏光纤的拍长测试。阐述了光相干域偏光测试技术原理并推导出测量方程;以迈克尔逊干涉仪为基础建立了测试系统并采用调制解调技术实现了信号的高精度检测。实验结果表明,系统的测量精度为0.01 mm。在此系统上进行了测试精度和重复性研究并对不同结构和尺寸的八种保偏光纤进行了实际测量,拍长测量精度和重复性均优于0.01 mm。     

偏振控制器的完全扰偏算法研究

从一种偏振度测试系统的系统结构出发建立光路传输模型,在分析光纤挤压型偏振控制器的工作原理后,给出整个光路传输模型的穆勒矩阵。在此基础上,文中重点研究了偏振控制器的完全扰偏算法,并用MatLab对算法进行了仿真。仿真结果表明该算法能够实现完全扰偏并有效提高偏振度测试精度。     

Eccentric error and compensation in rotationally symmetric laser triangulation

Rotationally symmetric triangulation （RST） sensor has more flexibility and less uncertainty limits because of the abaxial rotationally symmetric optical system. But if the incident laser is eccentric, the symmetry of the image will descend, and it will result in the eccentric error especially when some part of the imaged ring is blocked. The model of rotationally symmetric triangulation that meets the Schimpflug condition is presented in this paper. The error from eccentric incident laser is analysed. It is pointed out that the eccentric error is composed of two parts, one is a cosine in circumference and proportional to the eccentric departure factor, and the other is a much smaller quadric factor of the departure. When the ring is complete, the first error factor is zero because it is integrated in whole ring, but if some part of the ring is blocked, the first factor will be the main error. Simulation verifies the result of the analysis. At last, a compensation method to the error when some part of the ring is lost is presented based on neural network. The results of experiment show that the compensation will make the absolute maximum error descend to half, and the standard deviation of error descends to 1/3.     

光纤迈克尔逊干涉仪的理论与应用分析

介绍了光纤传感器,特别是干涉式光纤传感技术的优点。给出了光纤Michelson干涉仪系统的结构。重点给出了光纤Michelson干涉仪系统中信号光与参考光干涉原理以及影响干涉光强因素的理论分析。详细阐述了单模光纤偏振控制器结构、工作原理以及其对光纤Michelson干涉仪系统传感臂偏振态的控制。最后,给出了光纤Michelson干涉仪系统的应用分析。     

Polarization properties of bent-type optical fibre probe for magneto-optical imaging

Quantitative evaluation of magneto-optical parameters is necessary in order to apply scanning near-field optical microscope (SNOM) technology to the study of magnetism on the mesoscopic scale. For this purpose, quantitative knowledge of polarization transmission properties through an optical fibre probe is required. We therefore determined the Stokes parameters of the bent-type optical fibre probe that is used as a cantilever for atomic force microscope operation in our SNOM system. As a result, it is found that the degree of polarization is maintained in the light emitted from the probe, although the probe acts as if it were a wave plate. This anisotropic polarization state of the light emitted from the probe was compensated for by using a Berek compensator placed in front of the fibre coupler.     

光学薄膜消偏振技术及进展

光线倾斜入射时,膜层不可避免地会产生偏振效应。对于大部分实际应用,此现象带来的是系统性能的劣变,必须予以消除或减少。光学薄膜的消偏振是一个非常棘手的薄膜设计问题,目前仍然缺乏一种普遍适用的一般性方法。许多论文曾致力于这一问题的研究,文章较全面地叙述了这一领域研究过程中所提出的方法,包括单波长和宽波段的消偏振技术研究的现状和进展。这些方法可以在一定条件一定程度上取得比较好的消偏振效果,具有比较重要的理论意义。     

基于偏振分像的制冷器件晶粒双面等光程共焦成像缺陷检测装置

针对待测晶粒大的情况,为解决晶粒双面检测时双面之间产生光程差导致的的成像清晰度问题,提出了一种基于偏振分光成像法的半导体制冷器件晶粒相邻双面同时成像缺陷检测的装置。利用偏振分光器与直角转像棱镜对采用偏振分束器与偏振相机的晶粒天面和侧面同时等光程共焦成像检测装置进行了光学设计,完成了晶粒相邻双面同时等光程偏振成像缺陷检测的实验验证。结果表明,该偏振分光成像检测技术可以实现晶粒相邻面的同时缺陷检测,并能很好地满足相邻面等光程成像缺陷检测的性能要求。当晶粒相邻面等光程共焦时,检测分辨率可达到110 lp/mm以上,而当晶粒相邻面离焦（准共焦）仅±0.20 mm时,分辨率则降至45 lp/mm以下。本检测装置具有双面成像清晰度好、成像光路共焦调整方便、检测装置结构简单可靠,以及提高的缺陷检测性能等优点。     

Probing highly confined optical fields in the focal region of a high NA parabolic mirror with subwavelength spatial resolution

Parabolic mirrors with a high numerical aperture can be conveniently used to produce highly confined optical fields in the focal region. Furthermore, these fields can have interesting polarization behaviour due to the high numerical aperture. In particular, if the mirror is illuminated with a size matched radially polarized or azimuthally polarized doughnut mode, the electric field has in the focal region almost exclusively a longitudinal or a transverse polarization component. Such field distributions are interesting for applications in confocal or near‐field optical microscopy. Here we present experimental results where we have probed some of these field distributions by raster scanning a fine gold tip in nanometer steps through the focal region and detecting the scattered light intensity. The measured intensity patterns are compared with corresponding vector‐field calculations.