新型零差激光干涉仪振动测量系统

针对传统零差激光测振光路调试困难,提出一种简单的零差测振光学系统.采用二象限(或四象限)探测器作为该系统的探测器,由于两个象元处于干涉条纹的不同部分,探测器输出两路非正交多普勒信号,利用最小二乘法把两路非正交多普勒信号校正成正交信号,利用微分相除积分操作处理正交信号,最终解调出振动信号.实验表明:该振动测量系统调试简单...     

基于电子波干涉红外探测器的研究

电子波干涉法是一种新的量子阱探测器能带结构计算方法,该方法是基于电子波在量子阱界面的反射和干涉效应提出的。利用电子波干涉法,设计了一种新型的宽带量子阱红外探测器。对这种探测器的能带结构进行了计算,分析了这种新型探测器的响应带宽和暗电流特性。理论计算表明:电子在干涉形成的分离能级间跃迁可形成多个响应带,这些响应带之间相互交叠可实现宽带响应;器件的暗电流在微安量级且随温度的变化不大。共振隧穿电流随温度的变化较小,是暗电流的主要组成部分;而热离子激发电流随温度的变化较大,但对暗电流的影响不大。     

离轴反射光学系统像差特性研究

以轴对称光学系统的初级矢量波像差理论为基础,通过引入孔径缩放因子和孔径偏移矢量,获得了离轴反射光学系统初级像差特性。通过分析可知:离轴反射光学系统的初级像差依然由球差、彗差、像散组成。由于孔径缩放因子存在,离轴反射光学系统的波像差系数均有不同比例的减小,且轴对称光学系统的高级孔径像差会在对应离轴光学系统中引入较低阶孔径像差,例如轴对称光学系统未校正球差,对应的离轴光学系统除过球差外还将引入彗差、像散等。相比于轴对称光学系统的像差,由于孔径偏移矢量的引入,离轴反射光学系统的像差不再关于中心视场旋转对称,有可能在轴外视场产生像差零点。     

水平大气通道的光波前倾斜功率谱的测量及其频率分析

在自适应光学系统设计和搭建过程中,一个关键的设计考虑因素就是倾斜镜的带宽,即Tyler频率.提出了一种根据实测的湍流整体倾斜功率谱直接计算Tyler频率的方法.首先利用Shack-Hartmann波前探测器,测量了水平湍流倾斜像差的功率谱,然后以一个衍射角为截止均方根残差,确定出Tyler频率.在实验所处的湍流条件下,...     

折反式远红外光学系统设计

针对红外搜索与跟踪系统在现代战争中体现出的优势和重要性,提出了一种折反式红外光学系统设计方法.在折反系统中,用同一种红外材料实现了像差特别是二级光谱的校正.该设计结果满足设定要求,可用于机载红外搜索与跟踪系统,并适用于像元尺寸为25μm的非致冷焦平面阵列探测器.     

基于像差共轭组合模型的自适应光学系统控制方法

在单位圆的同心孔径圆域内,某些特定Zernike模式具有相关关系,其中具有较强负相关关系的模式组合在一定系数条件下叠加后,一定的同心孔径内的像差会相互抵消,波面变得更加平坦,这称为模式间的共轭性。文中设置了一组畸变波前,用自适应光学系统进行校正得到残差,然后用Zernike多项式对变形镜的校正残差进行了分解,通过分析首次发现在均方误差值较大的残差波前中,低阶、高阶两部分像差间存在着明显的负相关关系,两部分像差的系数会随着变形镜控制信号的调整体现出有规律的变化,并且在一定的系数组合方式下,这两部分像差呈现出共轭性。基于以上研究结果,提出一种控制方法,该方法通过优化变形镜控制电压来调整镜面面型,使得残差中的低阶、高阶两部分像差系数实现最佳匹配,从而降低光瞳同心孔径圆域内的像差均方根值 (RMS),最终实现该孔径范围内系统成像质量的提升。分别针对点目标成像和扩展目标成像进行了仿真,结果表明:该方法相比于传统闭环共轭式校正方法,在面对复杂像差时能够得到质量更好的光学成像,有效扩展传统自适应光学系统的适用范围。这种控制方法在变形镜有较大拟合残差的场合具有很好的应用前景。     

基于模拟退火的连续膜变形镜最优模式复原

为了改善小形变量、镜面控制耦合及其影响函数受到光学系统误差等多种因素的影响的连续膜变形反射镜容易出现波前复原控制电压往往超出了可行域范围的问题,提出采用一种基于模拟退火的波前模式复原算法,其原理通过遍历整个可行域搜索域内最佳的模式控制电压组合,使得目标函数以一定概率达到全局最优,从而得到将入射畸变波前像差的影响降到最小的结果。为了验证和比较模拟退火算法的可行性和准确度,采用了任一人眼波前畸变像差作为自适应光学系统的入射畸变波前,得到的残余波前像差小于直接法、闭环迭代算法的复原误差。结果表明,基于模拟退火的波前模式复原算法具有良好的波前复原性能,并且可结合影响函数的非线性特征描述,为连续膜波前复原控制问题提供一种新的解决途径。     

适于红外双色探测的光学系统

设计了适于红外双色探测器的光学系统．该系统在两个波段内同时较好的满足了像差校正．波前差小于1／4波长，光学传递函数接近衍射极限．该系统透射比高，设计结构紧凑，片数小.降低了对工艺水平的要求．     

结构函数在大口径光学系统评价中的应用

为了降低大口径望远镜在研制和使用过程中的技术风险,将从结构函数的角度对大口径望远镜光机系统评价方法进行分析和研究.首先通过理论计算得出结构函数与光机系统评价的常用指标斯特利尔比以及系统波像差均方根的关系,并对于结构函数的具体求解方法进行了讨论;然后对于低阶Zernike项对应的系统低频波像差以及Kolmogorov谱反演代表的高频系统波像差进行了分析,得出结构函数在不同的评价尺度下系统斯特利尔比的变化趋势.由于大气相干长度与系统结构函数有直接关系,且直接影响到大口径光学系统的使用效果,最后基于极大似然估计提出了一种大气相干长度估计方法.     

角锥棱镜阵列像差仿真与实验研究

阐述了全光路像差校正自适应光学系统的工作原理,明确了全系统的校正能力受制于角锥棱镜阵列的面形像差.针对工作在0.6328μm波长的全光路像差校正自适应光学系统,从仿真的角度研究了3种角锥棱镜阵列,研究了角锥棱镜阵列的组成单元--角锥棱镜的综合角误差在2"以内时,角锥棱镜阵列的面形像差可以忽略.用WYKO干涉仪测量了实际角锥棱镜阵列内每个角锥棱镜的波像差,根据波像差计算的综合角误差,拟合了角锥棱镜阵列的面形,验证了仿真结果.     

几种失调反射光学系统的波像差特性

为了描述失调状态下反射光学系统在整个像平面中的波像差分布特性,从而对反射光学系统进行有效的装调,对偏心和倾斜影响下的几种反射光学系统的三阶彗差和三阶像散进行了研究。首先,对失调光学系统三阶波像差的矢量形式进行了推导。然后,对失调状态下经典Cassegrain系统、Ritchey-Chrtien系统和三反射镜消像散系统三阶彗差和三阶像散的分布情况进行了分析,并且对两反射和三反射系统的装调进行了简要的讨论。使用Zernike多项式对视场中各个位置的波像差进行拟合,分离出三阶彗差和三阶像散并进行了全视场显示。理论分析与实际拟合结果一致,说明结论是正确的。     

中波/长波双色多视场光学系统设计

设计了一种基于中/长波双色焦平面阵列探测器的红外多视场变焦距光学系统,通过在窄视场光路中插入不同镜组的方式实现宽、中、窄视场的转换,并利用谐衍射原理和非球面设计进行像差平衡,其工作波长范围为中波3～5 μm、长波7.7～9.5 μm,F数为3,变倍比达到18:1.设计结果表明,在中长波双色工作模式下,中长波各个视场的MTF均接近衍射极限、中波红外70％的能量分布在一个探测器像元内、长波红外60％的能量分布在一个探测器像元内、温度适应性好.该双色多视场光学系统在军民用光电探测领域有重要作用和广阔的市场前景.     

哈特曼-夏克波前传感器的高精度质心探测方法

为提高哈特曼-夏克波前传感器(HS-WFS)的光斑质心探测精度以实现光学系统的高精度波前检测,提出了一种有效的质心探测方法。该方法利用非线性滤波和窗口法对整幅光斑图像进行全局处理后,结合中值滤波、三次样条插值和自适应Otsu阈值法对单个光斑进行局部处理。分析了三次样条灰度插值点个数不同,探测精度和计算时间的变化规律。采用该方法探测了含有噪声的光斑图像,其质心探测误差仅为0.0442pixel,比传统的非线性滤波、Otsu阈值法和探测窗口法探测精度分别提高了91.86%、87.97%和31.79%。对已知波像差的光学系统进行了仿真检测,得到的波前检测精度峰谷(P-V)值为0.0098λ,精度均方根(RMS)值达到0.0027λ。结果表明该方法能够提高质心探测精度,可用于高精度光学系统的检测。     

双光纤相移点衍射干涉仪装调技术

为了实现对极紫外光刻物镜系统波像差的超高精度检测,引入了双光纤相移点衍射干涉仪,介绍了其工作原理,并对干涉仪的装调方案进行了精密的设计。解决了各个元器件的精确定位问题,保证了进入光纤之前的测试光和参考光严格垂直, 实现了耦合系统与光纤之间最大的耦合效率和干涉条纹最大的条纹对比度, 为最终能够实现极紫外光刻物镜系统波像差的超高精度检测提供了前期准备。装调完毕后,利用实验装置对某一光学系统进行了测量,使用十三步相移算法还原被检光学系统波像差,得到了较好的结果,测试结果为:PV 值为37.82 nm,RMS 值为7.83 nm。     

结合面型和视场优化策略的自由曲面设计方法

为了增大光学系统的视场,针对含有自由曲面的离轴反射式光学系统设计,提出了一种面型优化策略和视场优化策略相结合的优化设计方法。该方法从小视场出发,以表征光学系统波像差的Zernike标准多项式各项系数为评价依据,确定像差分量优化顺序,有针对性地选取和优化XY多项式项系数;计算各视场波像差在全视场波像差的占比,据此调整各视场的优化权重。在小视场范围内优化获得满足光学系统性能指标的结构参数后,逐步拓展视场范围,交替使用面型和视场优化策略,实现全视场范围内光学系统的优化设计。应用该方法设计焦距1 200 mm、F数为12、视场303的含有自由曲面的离轴三反光学系统,仅通过优化15项XY多项式系数表征自由曲面,设计结果接近衍射极限,且有利于指导更宽视场的自由曲面光学系统设计。     

低温真空环境光学系统波像差测试方法

为了能够预知空间低温光学系统成像质量,提出了一种高精度测试低温真空环境下F数小、后截距短的光学系统波像差的方法。首先,分析设计测试光路,对低温光学系统、干涉仪以及平面镜等进行布局,为波像差测试做好准备工作;然后,对低温真空标准透镜、标准平面镜、窗口玻璃等关键部件进行分析与设计,测试时作为系统误差项扣除;最后,调试测试光路,分别得到常温常压和低温真空环境（低温温度为100 K,压强为110-4 Pa）下光学系统波像差。通过精度验证实验表明,测量值与标准值偏差为0.010（=632.8 nm）,差别很小,证明了该测试方法的可行性。解决了光学遥感系统特别是F数小、后截距短在低温真空环境下波像差难以高精度测试或无法测试的难题。     

基于非球面固定校正镜的共形光学系统设计

设计了一种使用固定校正器进行像差校正的共型光学系统,固定校正器采用大口径非球面透镜,对各子跟踪场的像差进行了严格校正.位于固定校正器后的成像系统进行回转跟踪时,搜索角度最大可达±80°,成像质量较好,且不会产生半球形整流罩光学系统在大角度搜索时容易出现的挡光现象.光学系统光阑与探测器冷屏重合,冷光阑效率达到100%.     

双孔点衍射干涉成像系统波像差检测技术研究

提出了一种用于测量高精度成像系统的双孔点衍射干涉仪,具有高光场均匀性、高可测量数值孔径、准共光路、相移元件在系统成像光路以外的优点。设计了两种测量模式,点衍射测量模式和系统误差测量模式,其中系统误差模式用于标定干涉仪的系统误差。分别搭建了双孔点衍射干涉和双光纤点衍射干涉的实验装置,完成了对设计波像差小于0.045λ RMS,5×透射式投影物镜的检测实验。实验结果表明,与双光纤点衍射干涉仪对比,双孔点衍射的波像差测量相对误差为0.07 nm RMS,且干涉图具有更加良好的光强均匀性。验证了本文检测技术的有效性。     

基于折反耦合的超短焦投影成像系统的设计

针对折反式超短焦投影成像光学系统由于结构复杂、投射比小、视场角大造成优化像差时收敛速度慢的问题，提出一种基于折反耦合点的超短焦投影成像光学系统的设计方法。通过对光学系统中折射透镜组与凹面反射镜之间各视场及孔径处光线耦合点位置的计算，将理想耦合点与实际耦合点的偏差作为评价函数来优化像差，同时采用正向设计和反向设计相结合的方式，有效提高光学系统优化效率。利用此方法设计了一个超短焦投影镜头，可在486 mm处投射100 inch(2540 mm)尺寸画面，TV畸变小于0.2%，各视场调制传递函数（MTF）在截止频率为117 lp/mm处均达0.5以上。     

人眼波前像差主观测量的原理及实现

研究了一种用于测量人眼波前像差的新型主观式波前像差仪,给出了工作原理和实现方案.采用先进的三光路设计方法实现光学系统的设计,采用多线程、视频捕捉、图像处理、单片机及步进电机的控制等关键技术,实现了瞳孔的三维实时自动跟踪.该像差仪能测量出人眼的全部七阶像差,采用Zernike多项式、两维和三维波前像差图对人眼像差进行了描述,给出了计算各项波前像差的均方根(RMS)的公式.通过对57人(110只眼)的进行三次临床测量,采用SPSS统计软件对测量得到的各阶波前像差的RMS逐级递减值进行两两比较,无差异性(P＞0.05),结果表明该像差仪测量的重复性好,准确性高.