基于柱透镜的非成像式激光定向方法

探测报知激光威胁源的方向是激光告警必不可少的一项技术指标。针对目前的告警系统的缺点,提出了一种基于柱透镜的高精度激光告警方法,并采用非成像方式对来袭激光进行定向。系统由两个相互垂直的线阵结构组成,线阵结构包括柱透镜组与线阵红外焦平面阵列。告警系统通过来袭激光在线阵焦平面阵列上线斑的偏移量来确定入射激光的水平方位角和俯仰角,从而达到对来袭激光进行定向的目的。文中阐述了该方法的基本原理及系统的结构组成,进行了误差分析,并对光学系统进行了仿真实验。实验结果表明:基于该方法的激光告警系统的视场角达到16。该方法对激光告警系统在汽车、飞机以及卫星上的应用具有十分重要的指导意义。     

沉浸式头戴显示器光学系统设计

为了满足虚拟现实头戴显示器大视场、大出瞳和高成像质量等要求,采用非球面透镜设计了1种3片式虚拟现实头戴显示器光学系统,对光学系统进行了公差分析.结果表明,光学系统的平均调制传递函数(MTF)值均满足传递函数的要求;系统视场角为90°、出瞳直径为8mm、系统重量为33.67g、总长小于60mm、频率为9.31lp/mm时...     

用于多光谱照明通信的大视场接收光学天线设计

针对多光谱照明通信要求,提出了一种新型大视场高增益光学天线。天线采用前组三片式负组透镜、后组四片式正组透镜组合的反远距天线结构,通过理论计算、Zemax设计优化,设计出视场角(FOV)90°、增益115的大视场高增益前置接收光学天线,同时具有较小的体积。该光学天线与色散分光系统联合仿真表明,该天线可实现视场角90°×22°、增益20,适用于多光谱照明通信。同时设计出的前置光学接收天线也可独立作为大视场成像光学系统、成像光谱仪前置物镜系统等,具有广泛的适应性。     

大视场太赫兹光学成像系统设计

太赫兹（THz）波具有较高的透过性和时空分辨率等特性，在空间观测领域具有广阔的应用前景。对比于扫描成像，凝视成像具有成像性能高、速度快、结构简单等优点，而大视场成像是凝视型光学系统所必需的。因此，设计大视场凝视型THz光学系统具有重要的工程应用价值。采用反远距结构，利用Zemax设计了一款相对孔径为1、全视场角为60°的大视场THz光学成像系统。该系统采用4片式反远距共轴结构，由2片球面透镜和2片非球面透镜组成，同时透镜材料采用聚甲基戊烯（TPX）材料，整个系统具有结构紧凑、质量轻等优点。优化结果显示，各视场内的弥散斑均方根半径均小于艾里斑半径，在空间频率为12.5 lp/mm处全视场的调制传递函数（MTF）值高于0.3，表明该系统具有良好的成像质量。此外，公差分析结果表明，该系统具有较好的稳健性，加工工艺水准易于实现，符合设计要求。本设计对于THz空间大视场高分辨探测具有重要参考价值。     

基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系 统设计

针对凝视型红外成像告警设备中对场景目标进行大视场广域搜索与小视场精确识别一体化的应用需求,设计了一种基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系统.该系统采用由多层共心球透镜和可连续变焦的独立次级小相机阵列级联而成的二次成像结构,能够有效实现大视场高分辨率无畸变成像.此外,采用全动变焦设计的独立次级小相机阵列在对搜索到的目标进行探测、识别和跟踪的一体化检测的同时保持像面稳定,实现对成像场景的分区域管理.设计结果表明,该红外成像系统在全变焦范围内的调制传递函数(MTF)曲线均接近衍射极限,且变焦曲线平滑,避免了变焦过程中卡滞、冲击等不利现象的产生,能有效实现大视场监测及小视场识别的功能.     

基于微悬臂梁阵列的凝视型激光告警系统的设计与实现

设计并实现了一种基于微悬臂梁焦平面阵列的凝视型激光告警系统。该系统通过微悬臂梁焦平面阵列及成像CCD来实现对入射激光的精确定向。入射激光通过红外镜头辐射到微悬臂梁焦平面阵列时会使微悬臂梁发生变形,通过光读出系统将这种变化成像在CCD上就可以判断出激光的入射方向。实验结果表明:镜头焦距为60mm、微悬臂梁面元为80μm×100μm时,告警系统的视场角为±15°,分辨率可达到0.5°。此告警系统视场角大、定向精度高,并且避免了激光对CCD的干扰及损坏。     

二维激光告警光学系统设计

由于现有单激光告警系统只能实现来袭激光一维的方位和波长等信息,提出了一种单激光告警系统同时测得二维方位信息和波长信息的新方法,该方法的光学系统主要由遮光罩、光栅、透镜组和面阵CCD组成,通过对来袭激光经过光栅后的一级和零级衍射光斑位置的判决,得到来袭激光二维方位和波长信息。通过理论分析说明了该方法的原理,并推导得出二维方位角和波长的测量公式,根据要求推导确定了光学元件参数,并通过实验验证了其可行性。实验结果显示波长分辨率小于10 nm,角度分辨率小于1x方向视场角为30,y方向视场角为15。     

折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统设计

为了使激光扫描检测设备达到较高的检测精度并且具有较强的通用性,一般要求它的光学系统具有大视场、宽工作光谱、高成像质量的特点。以传统7片可见光波段镜头为基础,用折-衍混合单透镜代替系统中的双胶合透镜,设计了折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统,主要参数为:视场60°,工作波段0.8～1.06μm,焦距30mm,后工作距离30mm。设计结果表明,在42lp/mm空间频率处的调制传递函数(MTF)值接近0.7,全视场畸变小于1.9%,重量减轻了35.3%,表明该系统像质良好且兼具小型化的特点,满足扫描检测设备的技术要求。     

50~100 μm太赫兹成像物镜设计

根据太赫兹探测成像用户的需求,设计了一种适用于太赫兹波段的光学系统。其焦距为50 mm,F数为1,工作波段为50~100μm,接收器为非致冷型IRM160A红外探测器,全视场角为11.9°。该系统采用共轴式结构,由3片球面透镜和1片CCD保护玻璃组成,并使用了Topas COC新型材料。另外还引入了1个非球面,以实现系统结构简单、重量轻和成本低的目标。设计结果表明,当截止频率为10 cy/mm时,该光学系统的调制传递函数接近衍射极限,各个视场的点列图均方根半径均远小于艾里斑半径,并具有良好的成像质量,因此能够满足太赫兹光学系统的总体设计要求。     

一种内调焦对心器用电视测微镜头的设计

利用CODE V光学软件设计了一种用于内调焦对心器的电视测微镜头。该镜头由四片透镜组成,采用正负正焦距对称结构。其焦距为17.20 mm,数值孔径为0.063,视场为16.82°。该镜头工作在486～656 nm波段,总长为68 mm。系统的全视场畸变为-1.13%,调制传递函数MTF值在空间频率为60 lp/mm时大于0.64。设计结果表明,该系统的成像质量良好,结构紧凑,满足使用要求。     

宽视场有增益光学系统设计

从激光探测告警光学系统的视场和光学增益出发,分析了浸没透镜的光学增益和像差特性。针对激光告警设备设计了宽视场有增益光学系统:视场角30°,光学增益可达20倍以上,结构简单,对降低激光辐射源功率、增强探测距离有一定的意义,经分析该方案可行。     

全向激光告警系统中激光光斑精确定位方法

在成像型全向激光告警系统中,大视场探测与精确定向构成一对矛盾.为提高全向激光告警的定向精度,需要对激光光斑进行亚像素级的精确定位.在分析了鱼眼镜头大视场聚焦探测像差引起的光斑非对称性,并且信息量不足,不易于实现亚像素激光中心定位的基础上,提出通过镜头离焦的成像方式探测激光,使得激光在成像面上形成一定大小的弥散圆形光斑.在面阵探测器获取光斑采样像素点的基础上,通过双三次B样条插值曲面重建圆形光斑.并提取一定灰度值的光斑圆周插值点,作为圆形光斑边缘.通过快速Hough算法计算圆心,从而实现光斑中心的亚像素精度定位.通过实验对比验证,说明该方法可有效地提高激光光斑中心定位精度.     

光栅衍射型激光告警光学系统设计

为实时测量来袭激光的特征参数、入射方向等信息,设计了基于光栅的激光告警光学系统.使用正弦透射光栅,来袭激光衍射后只有零级和一级衍射,有利于信号采样和处理.该光学系统由遮光罩、正弦光栅、平凸柱面镜、线阵CCD构成.通过理论分析和计算,确定了各光学元件参数.实验结果表明,采用该光学系统的激光告警器可以实现对波长范围为500～1100 nm、波长分辨率小于等于10 nm、入射角分辨率小于等于1°、视场角为22.5°的激光测量.     

激光引信大视场小型化发射光学系统设计

由于受系统体积限制，目前激光引信大视场探测方式无法满足小型化结构简单的需求。针对激光引信弧矢方向无漏探测、子午方向窄视场探测的技术要求，提出了一种小型化大视场激光引信发射光学系统的设计方法，采用由三个管芯线型阵列排布的隧道结半导体激光器作为发射光源，合理选择光学视场空间布局方式，设计了三象限扇形轮流发射方式激光引信发射光学系统，其特点在于体积小、视场大、结构合理，装调简单，单路发射光学系统体积为8 mm8.2 mm15 mm，单路弧矢方向探测视场达120。设计的发射光学系统能够满足弹径为70 mm的便携式防空导弹激光引信大视场目标探测要求，解决了周视激光引信小型化的需求问题。     

基于棱镜的激光周视接收系统的设计

为了实现对目标全向探测和精确定位,采用成像光学与非成像光学相结合的方法,设计了一种可用于周视探测的非对称激光回波接收光学系统。由于子午和弧矢两方向视场差异很大,需加入特殊的非对称结构来平衡两方向的视场差异,该系统采用阶梯棱镜和倒置柱面望远镜对弧矢方向大视场进行角度压缩,后经过对称聚焦子系统将光能量收集到直径为1.5mm的圆形探测器上。系统由1块阶梯棱镜、1片非球面镜、2片柱面镜和2片球面镜组成,其光圈数达到0.56。结果表明,单套接收系统完成±30°视场探测,6套接收系统组合起来可实现360°周视无盲点探测。整体系统体积小、结构简单,有良好的适用性。     

宽发射面激光二极管光束整形系统的光学设计

宽发射面激光二极管作为泵浦源在全固态激光器中得到了广泛的应用,但由于快慢轴发散角太大和发光面的不对称,所以需要对其进行光束整形。针对发光面为1m（快轴）200m（慢轴）且远场光斑为矩形光斑的宽发射面激光二极管,分析了输出光束在平行于p-n结方向上光场（侧模）的多光丝分布特性。通过在ZEMAX非序列里,设置合理的光丝间隔、尺寸和以纵模为间隔的多个波长,模拟了与实际相符的远场光斑。利用圆柱透镜压缩激光二极管快轴发散角,再用自聚焦透镜进行聚焦,最后在离自聚焦透镜后端面1.8 mm处得到快慢轴方向长分别为0.15 mm0.17 mm的方形光斑,且快慢轴方向发散角分别为3.32.4。同时,通过实验逐步比较了光束通过每一个光学元件后光斑形状的变化和光强分布,结果表明:宽发射面激光二极管光束整形中,通过引入侧模光丝结构的矩形光斑模拟方法是可行的。     

同心结构的小型化超广角监控镜头设计

为了满足监控镜头的小型化、高像质以及大视场的需求,利用同心结构的同心透镜,并依据曲面传感器的发展现状及趋势,设计了一款同心结构的曲面像面监控镜头光学系统。该监控系统的全视场角可达到140,有效焦距为7.88 mm,F数为1.5,系统总长15.12 mm,像素可达1 100万。设计结果表明,MTF值在中心视场和0.7视场处均接近衍射极限,在全视场处均大于0.59;各个视场的弥散斑半径均小于0.6m。相比于已有的监控镜头光学系统,该设计在大视场范围内保证了优良的像质,并且实现了小型化。     

基于正弦光栅的凝视型激光探测告警系统的设计与实现

当激光入射到正弦光栅时,会产生0级和±1级衍射谱线,通过测量衍射谱线的分布,可获得入射激光的波长及方位角信息。为了实时探测激光光源的波长和方位角,设计了一种基于正弦光栅的凝视型激光探测告警系统。介绍了系统的工作原理,推导了激光波长和方位角的计算公式,并对系统的探测精度进行了数值模拟研究。分析了光栅常数和柱面镜曲率半径对系统探测能力的影响,并且给出了相关函数。实验结果表明:当光栅常数为1/500mm、柱面镜曲率半径为20mm时,系统可实现对波长为320～1100nm、视场角为±20°范围内激光源的实时探测,波长分辨率可达到10nm,角分辨率可达到1°。     

分布式猫眼腔免调试激光器发射端视场的优化

为实现面向自适应激光无线传能应用的大范围免调试激光器，对基于猫眼逆反射器的端面泵浦Nd: GdVO₄激光器开展实验研究；在补偿接收端的球差和场曲、优化激光器工作距离和接收端视场的基础上，分析发现发射端各透镜的场曲所导致的猫眼逆反射器离焦是限制其视场角度（接收端离轴量容限）的主要因素。基于Zemax软件对发射端场曲进行分析计算，并设计加工了矫正场曲的非球面透镜以避免接收端离轴情况下的发射端离焦，实现优化发射端视场的目的。使用优化设计的非球面透镜后，在5 m的长工作距离下激光器4.6°发射端视场内的输出功率均在其最高输出功率的50%以上，相比使用普通球面透镜时的结果得到显著的提升。对比理论设计和实验结果仍有一定差距，认为补偿激光晶体热透镜的像差是进一步优化发射端视场的关键。