望远超分辨成像中的视场光阑影响及补偿机理

根据衍射光学理论,分析了基于瞳函数调制的望远超分辨成像系统中,用于视场选择和过滤旁瓣影响的视场光阑的衍射效应对于成像效果的影响机理,并给出了补偿原理和方案。微孔视场光阑和四环带阶跃型位相滤波器分别放置在系统一次像面和出瞳位置。理论分析和仿真表明:视场光阑口径越小,最终像面光斑主瓣越宽甚至失去超分辨效果,旁瓣光强峰值与主瓣光强峰值之比也越高。对此时出瞳处的光场振幅、位相场分别进行多项式拟合,求解进行修正的复振幅型光瞳滤波器设计参数,可以有效抑制视场光阑的衍射效应,获得良好的超分辨成像效果,且超分辨成像与光阑效应补偿合二为一,不会增加系统光路的复杂度。并进行了实际实验,验证了以上设计方法的有效性。以上研究结果可为应用在天文观测、空间探测等方面的超分辨成像系统设计提供依据。     

复振幅型兰维超分辨光瞳滤波器的优化设计

提出一种基于进化算法的复振幅光瞳滤波器光瞳函数参数优化设计的新方法.通过计算机的模拟,结合实际使用场合对光能效率、旁瓣影响效应和超分辨能力的要求,选择合适的参数实现最佳三维超分辨成像效果,给出超分辨优化设计模型和实例,并作图验证其结果.对超分辨率伴随的旁瓣效应,把滤波器应用于共焦扫描系统,可有效地抑制旁瓣,提高成像信噪比和对比度.利用进化算法设计的光瞳滤波器设计简单,同时有较好的综合效果,具有较大的GA,GT,S值.理论和实践均表明该设计方法是高效和可靠的.     

三维超分辨光瞳滤波器

提出一种改进的漏光型环形光瞳滤波器以期达到三维超分辨效果。对该光瞳滤波器与单透镜系统相结合的横向和轴向特性进行了详细分析 ,并给出了一个具有三维超分辨特性的光瞳实例。结果表明这种改进的漏光型光瞳滤波器具有三维超分辨能力 ,由于其轴向旁瓣强度太大 ,故利用共焦扫描成像系统点扩散函数乘积性抑制旁瓣 ,并取得较好的三维超分辨效果     

Toraldo光瞳滤波器对光学系统成像分辨率的影响

研究Toraldo光瞳滤波器横向、轴向及三维成像分辨率与滤波器结构参数的关系,推导出各分辨率与两区及三区漏光环型Toraldo光瞳滤波器环型区域的遮挡率和透过率之间的解析表达式,并给出它们的关系曲线图。二区漏光环型光瞳滤波器横向分辨率随中心透过率的减小而增大,一般情况下轴向分辨率随中心透过率的增大而增大。三区漏光环型光瞳滤波器横向超分辨率要求中心透过率低,而轴向超分辨率要求中间的透过率比两边低。可设定不同的透过率和遮挡率来分别实现横向、轴向及三维成像超分辨率。     

用于共焦扫描显微成像系统的位相型超分辨光瞳滤波器

对于三区位相光瞳滤波器与单透镜系统相结合的系统 ,分析了在给定斯特耳比S后有、无光瞳滤波器时的超分辨特性 ,并据此给出了一个模拟计算实例。由于单透镜系统加上该滤波器时旁瓣强度太大 ,因此将一个特殊光瞳加入共焦显微成像系统实现好的超分辨效果。     

一种提高卫星光通信终端发射效率的新方法

在采用同轴反射式光学天线的卫星光通信终端中,发射光束受天线次镜的遮挡,将损失部分能量.为消除次镜遮挡,提高光通信终端的发射效率,提出一种基于衍射光学元件的新方法.该方法利用衍射原理将光束整形为圆环光束,以规避次镜遮挡.按照遮挡比和切断比固定和变化这两类情况进行了仿真设计,前一类仿真结果表明:当遮挡比为15,切断比为1.5时,远场强度峰值提高了40%.后一类情况的仿真结果则表明:遮挡比越大,系统透过率和远场峰值强度越高,远场光束的主瓣宽度和强度峰值相对增量则分别变窄和变低;切断比越大,强度峰值的相对增量也越大.该方法提高了卫星光通信系统发射端的发射效率,同时也改善了接收端的光束质量.     

起始波长误差对合成孔径激光雷达成像的影响

合成孔径激光雷达采用的可调谐激光器通常不够 稳定,导致存在起始波长误差。本文研究可调谐激光器起始 波长误差对合成孔径激光雷达成像的影响。建立了具有起始波长误差的可调谐激光器输出信 号经合成孔径激光雷达 系统后的成像模型,利用Matlab进行模拟仿真,详细讨论了起始波长误差对合成孔径激光 雷达在方位向和距离向成 像的影响。结果表明,起始波长误差对合成孔径图像的距离向分辨率没有影响,但是恶化了 方位向成像质量。起始 波长误差对方位向成像的主瓣强度影响不大,主要影响了点目标的旁瓣从而造成方位向成像 质量恶化。起始波长误差在(0,2λ_c)和(0,λ_c)内服从均匀分 布时主瓣宽度分别约为理想情况下的2倍和1.5倍;起始波长误差在(0,0．1λ_c) 内服从均匀分布时,对主瓣宽度的影响可以忽略,对旁瓣仍有较明显的影响;起始波 长误差在(0,0．02λ_c)内服从均匀分布时,对旁瓣的影响可以忽略。可调谐激光 器起始波长为1550nm时,起始波 长误差控制在0.02个波长,方位向成像的质量比较高。对起始波长误 差恶化方位向分辨率的本质进 行了探讨,得出起始波长 误差恶化方位向分辨率的本质是导致了多普勒频率的非线性。     

一种混合范数整形分辨率可调的波束形成器

针对实际应用中需要调节分辨率的现象,提出一种混合范数整形分辨率可调的波束形成器。该方法利用信号的稀疏特性与子空间方法使零陷和旁瓣降低的同时,根据l₂范数具有促进稠密解的特性,加入了对主瓣的l₂范数约束,从而增大主瓣的阵列增益强度,使主瓣宽度变窄。仿真结果表明,调节加权系数可以调节波束图的主瓣宽度、旁瓣高度和零陷深度,实现了分辨率可调的目的。也可以根据实际需要通过调节加权系数实现各性能参数间良好折衷。     

阵列式共焦显微系统超分辨特性的研究

针对光学阵列共焦显微系统中存在分辨力的下降，提出引入一种新型三区振幅型光瞳滤波器以提高其三维探测能力。首先根据基尔霍夫衍射理论推导出光学阵列共焦显微系统三维相干成像公式，与现有理论相比，能更准确地定量描述共焦阵列成像过程，进而将共焦阵列显微技术和光学超分辨技术有机结合，利用三维超分辨评价函数对光瞳滤波器的参数进行优化设计，通过压缩各探测光路的横向和轴向半极值宽（HWHM），以提高其三维扫描探测能力，从而为实现快速、超精密三维测量提供了一种有效的技术途径。     

二维多项式位相光瞳滤波实现超分辨望远成像

为了对望远光学系统实现横向超分辨成像,设计了一种高斯特列尔比的二维多项式函数形式的位相型光瞳滤波器,分析了其对光学系统焦点附近光强分布的有益影响。理论分析表明,加入滤波器之后,与无滤波器时相比系统横向光学分辨率提升了1.33倍,同时斯特列尔比为无滤波器时的0.75倍。给出了该种滤波器与典型的三区型、四区型和一维多项式位相型光瞳滤波器的对比,从对比结果可知,二维多项式型滤波器的斯特列尔比为几种滤波器中的最优,且其横向分辨倍率仅次于四区型滤波器,但四区型滤波器的斯特列尔比过低,不适合应用于望远系统。研究了入射光视场角对应用该种滤波器的望远光学系统成像效果的影响,视场角不大于4时,具有较佳的超分辨效果。     

基于波导间隔余弦分布的光学相控阵研究

为了提高稀疏光学相控阵的精度和效率，采用输出波导间隔成余弦分布的结构，基于绝缘体上硅平台设计出1×16光学相控阵; 结合有效折射率法和2-D有限差分传播法进行了远场强度分布仿真模拟。结果表明，边瓣抑制比从89.72%减小到41.46%，主瓣半峰全宽从1.20°被压缩到0.81°; 这种设计方法能够显著抑制栅瓣，进一步压缩主瓣。该研究在机器人避障、无人驾驶、目标探测等光束偏转领域将有广泛的应用前景。     

基于晶体的“非三明治”结构可调横向超分辨光瞳滤波器设计

研究了基于双折射晶体的非"三明治"结构的分区光瞳滤波器在低数值孔径聚焦系统中的光学特性。以内区为玻璃和外区为双折射晶体的两区光瞳滤波器为例,给出了此类光瞳滤波器光瞳函数的精确表达式。结合标量衍射理论,数值模拟了其光学特性。结果表明,通过旋转光瞳滤波器可以实现系统焦平面上横向光学超分辨的连续调节,同时可以扩展焦深。这种滤波器较现有的基于双折射晶体的光瞳滤波器具有更高的光能利用率,并且其可调性更方便于实际应用。     

被测物离焦状态对共焦显微系统横向分辨特性的影响

分析了被测物离焦状态对共焦显微系统(CMS)分辨特性的作用机理,指出了离焦状态是影响CMS横向分辨特性下降的主要影响因素,进而提出采用基于环形光瞳滤波技术的二元光学整形环形技术,来改善其离焦状态下的横向分辨特性。理论分析和实验验证表明：环形光瞳滤波技术的采用,显著抑制了CMS由于被测物离焦状态引起的艾里斑旁瓣的增长,克服了CMS因离焦状态而引起的横向分辨特性下降的缺点。     

基于衍射受限矢量光管场的离散式复振幅滤波器的设计

提出一种离散式的复振幅光瞳滤波器,用于构建大数值孔径系统下柱对称偏振矢量光束的特殊聚焦光场。输入角向偏振矢量光束,经圆对称的6个离散环带复振幅滤波器滤波后聚焦。该滤波器半径已归一化,各环带具有不同透射振幅,外围两环带有相同的相位延迟,其余相邻透射环带间π反相。在聚焦区可获得超长(大于8λ)的衍射受限"光管"场。该"光管"场为中空的纯角向偏振矢量光场,管中心沿轴向无光场分布,光管横向直径(约0.31λ)在亚波长量级,"光管"管壁为沿轴向平坦分布的角向偏振矢量场,无轴向旁瓣。该复振幅滤波器可用于构建特殊三维矢量光场以及利用该光场进行粒子捕获和操控。     

Enhancement of submicron optical lithography performance using phase-only pupil filters

We present a pupil filter design method based on iterative optimisation of the intensity point spread function (PSF) of a binary phase-only diffractive optical element, for use in a lens, diffractive element combination. Increase in the depth of focus and control over the sidelobe levels in the PSF is shown. The favourable performance is retained in simulated aerial images when the pupil filter is incorporated into a typical photolithography system.     

非平整端面光波导光学相控阵输出特性的研究

光波导光学相控阵器件端面的平整性对其输出特性有很大影响。基于光场相干叠加原理,建立了非平整端面下光波导光学相控阵的远场光场分布模型,给出了远场光场分布的一般公式,分析了非平整端面如何影响输出面上光场的相位以及输出面相位的变化如何影响远场光场分布。利用该模型计算和分析了倾斜平面、凹面、单层凹陷以及随机起伏面这几种特殊非平整端面下光波导光学相控阵输出光强分布的特点。研究结果表明:当光波导光学相控阵的端面非平整时,会不同程度地改变远场主瓣的位置和强度,影响光束扫描精度和功率。     

用三区振幅和相位滤波器优化固体浸没透镜显微系统的光场分布

构造了三区振幅型和相位型滤波器,用矢量衍射理论分析了两种滤波器对固体浸没透镜显微系统透射场的优化作用.从光斑大小、聚焦强度(Strehl比)和边瓣强度等方面比较了两种滤波器的超分辨特性.数值结果指出,振幅型滤波器具有边瓣强度小,边界参数容限大的优点.相位型滤波器的超分辨效果比振幅滤波器的好,它的聚焦强度比振幅型的大.但是它的边瓣强度比振幅型的大.