基于双光楔棱镜的激光通信光端机设计

随着激光通信向负载能力有限应用平台的推广,激光通信系统逐渐向着轻量化和小型化的方向发展。作为激光通信系统的重要一环,扫描捕获单元的轻小型化设计成为亟待解决的问题。首先,基于旋转双光楔棱镜的扫描捕获单元摒弃常规的机械伺服转台,通过棱镜绕公共旋转轴的独立旋转实现大视场光束偏转。然后,基于非近轴光线追迹建立双光楔棱镜光束偏转模型并分析了双光楔棱镜的扫描模式,为轻小型激光通信光端机的研制提供了一定的参考。最后,基于旋转双光楔棱镜和四象限探测器复用技术提出并分析了一种轻小型激光通信光端机的设计和应用。     

基于双光楔的激光模拟训练系统弹道模拟研究

为了实现激光模拟训练系统的弹道模拟,以双光楔光束偏转性质为基础,研究了通过控制双光楔的旋转角度来控制激光光轴的偏转,并根据光折射理论计算推导了双光楔角度控制方程。结果表明,模拟训练系统激光光束指向精度高于1mrad,能够满足实际需要。该系统可用于坦克等直瞄重武器的实兵对抗训练。     

基于双五棱镜组件的大间距光轴平行性检测方法

光轴平行性是多光轴光电设备的重要参数,对其进行检测十分必要。随着光电设备复杂程度的逐步增加,其光轴之间的距离不断增大,传统的小口径检测手段已经不能满足现有光电设备的检测需求。针对大间距光轴之间的平行性的检测,设计了一种基于双五棱镜结构的扩径组件,实现了平行光管的出射光束的平移,并利用双光楔结构对扩径组件进行修正,将平行光管的有效口径由300 mm扩展至1 200 mm。对扩径组件进行数学建模分析和实际装调,并对检测系统进行整体精度测试。实验结果表明:平行光管出射的光束经扩径组件后能够保持良好的平行性,其平行误差在11以内,满足大间距光轴检测的精度要求。     

两段式双五棱镜光束平移系统精度研究

在光学扫描和光电检测系统中,为了实现远距离、大范围光束平移的目的,对由双五棱镜构成的光束平移系统进行精度分析,并利用自准直法对系统的平行性精度进行测试。其组件中两个五棱镜摆放位置相对于理论位置存在误差,导致系统中出射光与入射光不平行,利用自准直法对系统进行光学装调,以保证出射光与入射光的平行性。但该平移组件在工作时通过转动副绕入射光轴旋转,系统会相对于某一机械轴产生转动误差,导致双五棱镜系统坐标转换矩阵发生变化,出射光与入射光不再平行。通过分析五棱镜的方位误差和系统整体的转动误差与系统误差之间的非线性关系,建立数学模型,并利用仿真实验加以验证理论分析的正确性,最后提出减小系统误差的解决方案,将其组件平移精度控制到10″以内,为棱镜在光束折转时的误差分析提供借鉴。     

红外目标模拟器校准系统的研制与应用

采用标准辐射和红外目标模拟器的辐射交替折转进入红外光谱辐射计的方法，研制的红外目标模拟器校准系统可以对红外目标模拟器进行直接校准．该系统由标准准直辐射源，光束偏转装置和红外光谱辐射计组成．标准准直辐射源由工作温度为50℃～1050℃的标准黑体和口径300mm的离轴抛物面作主镜的准直光管组成．光束偏转装置由口径465mm的反射镜和定位精度5″的转台组成．红外光谱辐射计采用圆形渐变滤光片CVF对入射的辐射分光，3个光谱工作区间为1μm～3μm，3μm～5μm和8μm～14μm。3个区间的测试数据显示了最小可校准的光谱辐照度低于10^-11／cm^2，系统的相对标准不确定度为2％．     

利用斜方棱镜实现平行光管校准

平行光管是光学实验及计量检测的重要设备.平行光管处于离焦状态将给检测结果带来诸多不良影响.文章提出斜方棱镜校准法,利用斜方棱镜的光轴平移作用,将平行光管的两束边缘光分别入射到同一个CCD中,分划板成像在不同位置则说明分划板偏离物镜后焦面,根据成像位置调整分划板位置,实现平行光管的校准.对可能产生的误差进行了分析,得出在增加8倍望远镜的情况下精度可以达到2”以内,并通过实验验证了该方法的可行性和准确性.     

一种激光测距机光轴平行性智能检校方法

针对发射光轴的双光楔校正结构,提出了一种激光测距机光轴平行性智能检测校正方法。建立了光轴平行性偏差量与双光楔结构旋转角度之间的数学模型,利用CCD图像传感器和数字图像处理技术得到激光发射光轴与瞄准光轴之间的平行性偏差,依据所建立的数学模型解算出双光楔需要调整的角度值,结合机械校正装置转动相应的角度,实现了激光测距机光轴的校正。该方法同样适合于其他具有双光楔调整结构的光学仪器。     

基于Levenberg-Marquardt算法的旋转双棱镜指向偏差修正

针对旋转双棱镜系统指向误差较大、误差源较多等指向精度较差的问题,提出了一种新的旋转双棱镜指向偏差修正方案。采用非近轴光线追迹方法建立旋转双棱镜指向模型和二维转台指向模型,在全视场区域内均匀选取若干点,比较旋转双棱镜理论出射光束与实际出射光束的偏差,通过Levenberg-Marquardt迭代算法对旋转双棱镜前镜和后镜的转角误差、楔角和折射率进行修正。在整个视场区域内修正后,指向最大偏差由8.37 mrad变为3.75 mrad,平均指向偏差由4.00 mrad变为1.38 mrad,并且当俯仰角较小时,修正效果较好;在俯仰角小于15°的视场区域进行单独修正后,最大指向偏差变为1.51 mrad,平均偏差变为0.84 mrad。所提修正方法提高了旋转双棱镜的指向精度,对旋转双棱镜指向偏差的补偿修正具有一定的参考价值。     

红外光机系统中折叠反射镜组安装误差分析

目前国内对于多次折叠的红外光学系统在装调中的折转角度以及折转后的轴向间隔缺乏有效的测试手段。以光路折转180°的两次折叠红外光学系统为研究对象,利用矢量的旋转平移理论建立了折叠反射光路的误差分析模型,并理论分析了反射镜的各个空间位置的改变对折转角度以及折转后的轴向间隔造成的影响,结合实际情况对反射镜的各项误差进行了比较和分析,得出对折转角度和折转光程影响最大的因素。最后利用分析得到的结果提出了一套反射镜的装调方案,使得由于光路折转产生的误差大大降低。     

时间最优与模糊PID控制在双光楔扫描中的应用

为实现视轴变化、扩大探测视场,双光楔扫描需要进行大角度跳转。提出一种时间最优与模糊PID(比例-积分-微分)控制器相结合的控制策略,时间最优控制用于快速消除大角度偏差,模糊PID位置控制保证到位后精度高、超调量小,从而提高系统的静态和动态性能。试验结果表明,控制系统可以实现双光楔的快速定位,提高抗干扰能力,有较强的鲁棒性;同时由于操作性强,有较高的应用和推广价值。     

基于棱镜的红外目标模拟器光学系统研究

针对某型装备测试仿真用中波红外目标模拟器,研制配套透过率高、空间均匀性好、结构紧凑的高性能红外光学系统,以满足模拟器总体设计指标和具体使用需求。根据DMD核心器件红外光调制工作原理,采用了基于TIR(全内反射)棱镜的中继光学子系统,从DMD转动夹角的限制出发,利用光学全反射定理,采用最小的角度空间设计,用一对光学棱镜使照明系统入射的光线与DMD反射的光线分开,在折衍混合式红外成像光学子系统设计匹配下,该光路系统相比反射式光路镜组结构紧凑,相比透射式棱镜方式能量透过率高。在经过光路设计仿真验证的基础上,开展了光学机械设计和研制加工及测试,最终红外光学镜组成功应用到红外目标模拟器研制中,满足了模拟器总体指标体系要求和使用需求,取得了良好效果。     

一种新型平行可调对称分束器的设计

为了获得对称且平行分束的偏振光,对双Wollaston棱镜进行了修正,在获得大分束角的对称偏振光后,配合普通玻璃三棱镜,使对称分束光变成平行分束光,通过改变三棱镜与双Wollaston棱镜间的距离来改变平行光的剪切距离。通过测量其透射比得到新设计的分束器的透射在85%左右,测量误差在0.91%左右。结果表明,该设计方案既节省了材料又节省了测量时间,能够满足较精密的测量需要。     

方波调制消除Wollaston 棱镜非线性系数对空间测角的影响

建立了一种基于Wollaston 棱镜偏振分束的空间测角模型。对于Wollaston 棱镜出射光强对系统测角精度带来的影响做了简要的理论分析和仿真,仿真结果表明出射光强偏离马吕斯定律,出现了一定的非线性偏差,且Wollaston 棱镜的非线性偏差对空间测角装置的测角精度影响很大,降低了装置的实用价值。提出了一种采用方波磁光调制提高测角精度的方法,该方法有效消除了Wollaston 棱镜的非线性系数、磁光玻璃的调制度波动、电路增益差异及光强波动的影响,且该方法相对正弦磁光调制方法更容易实现。最后通过相关的对比实验,采用该方法系统在-8~+8范围内能够达到15 的测角精度。     

一种冰洲石-氟化钡紫外直角分束棱镜设计

为了节省冰洲石晶体材料、并实现偏光棱镜光路的直角分束，采用冰洲石晶体与氟化钡晶体二元复合的方案，设计了一种冰洲石-氟化钡紫外直角分束偏光镜。以波长为265.6nm的紫外光为例给出了设计实例。从理论上分析了入射光经过该偏光棱镜后，e光、o光的分束角和光强分束比随入射角及入射光波长的关系，并通过计算软件作出关系曲线图。结果表明，该偏光棱镜分束角与直角偏差小，e光、o光的光强分束比约为1:1；在240nm~400nm的波段范围内，垂直入射对应的直角分束偏差小于1.0°，光强分束比与1的偏差在0.02以内，具有较宽的光谱适用范围。该研究对直角分束棱镜的设计、制作以及实际使用提供了有价值的参考。     

基于μLED发光技术的新型星模拟器设计

针对常规星模拟器存在的模拟参数少、精度低和模拟技术难度大等具体问题,将LED发光技术引入到星模拟器的设计中,提出一种基于LED发光技术的新型星模拟器研制方法。结合星模拟器准直光学系统设计结果,详细设计了整体机械结构,以确保其具有在仿真环境下,最大程度弱化温变、振动等外界因素的特性。重点研究星点位置精度和星点发光亮度的控制技术,并对星点圆度、星点发光均匀度以及星点光谱控制技术进行具体分析。分析与测试结果均表明,所设计的星模拟器具有星间角距精度小于3,多种5个连续星等模拟,同时满足星点圆度、发光均匀度以及发光光谱的多参数模拟性能。所提出的设计方法也为更高级别的星模拟器研制提供一种可行的技术方案。     

微角分束偏光棱镜分束角的特性研究

为了了解微角分束偏光棱镜的分束特性,根据冰洲石晶体的光学性质以及光在棱镜入射与出射介面和棱镜中的传播方向,在光正入射的条件下,分析了棱镜的分束角随工作波长的变化关系; 在工作波长一定的条件下,分析了入射角对棱镜分束角大小的影响及规律; 设计了实验,对制作的棱镜样品进行了实验测试。结果表明,微角分束偏光棱镜的分束角随工作波长而变,且波长越短,分束角越大; 在棱镜的主截面内,入射角由-20°~20°变化时,分束角呈非线性由小变大。这一结果对于微角分束偏光棱镜的设计和使用具有实际价值。     

利用全反射原理精确测量棱镜折射率

依据全反射原理和自准直测角法,实现了对棱镜折射率的精确测量。通过使用高准直半导体激光器将激光入射到棱镜内部与空气分界面上,逐步旋转棱镜或改变棱镜的入射角,得到待测棱镜的反射光强随入射角变化曲线。在曲线左侧收尾处出现一个台阶,其反射光强随入射角增大迅速衰减。全反射临界点,对应的入射角为全反射角。用两次自准直测角法精确测量棱镜底角。通过该方法,分别对两块不同棱镜的折射率进行了测量,测量棱镜折射率精度为±1.24×10-4。     

激光引力波望远镜镜面杂散光测试方法

激光引力波望远镜的杂散光来源主要是细光束入射到镜面产生的反射杂散光。1 W的激光入射产生的杂散光需抑制到10-10 W以下,否则将严重影响主要参数光程差的测量精度。针对该应用背景,考虑了在细光束入射到镜面条件下由杂散光测试数据重构表征镜面反射特性的双向反射分布函数（BRDF）参数的可行性。传统方法测量BRDF需要4个转角,系统复杂不便于实时应用。为此基于光学元件各向同性和镜面杂散光模型的对称性,综合考虑了平面镜、曲面镜以及光束衍射效应、测量误差等因素,提出了一种仅利用子午面内一维测量若干个点的散射数据即可重构得到BRDF参数的方法,并用数值方法对其可行性和测量精度进行了验证。     

分束李普奇与分束汤普逊棱镜性能的比较分析

为了更好地设计和选择使用分束李普奇棱镜和分束格兰-汤普逊棱镜,从理论上分析了分束李普奇棱镜与分束格兰-汤普逊棱镜的分束角、分离角和光强分束比。结果表明,分束李普奇棱镜和分束格兰-汤普逊棱镜的分束角和光强分束比与棱镜的结构角和副结构角有关;对于相同的结构角和副结构角,两种棱镜的分束角相同,但它们的光强分束比不同。出射的o光与e'光的分离角与副结构角有关;对于o光垂直出射的需要,选用分束李普奇棱镜设计为好;对于大分束角的需要,选用分束格兰-汤普逊棱镜设计为好。选用最佳设计方案可以分别实现两种棱镜光强的对称分束,实验结果与理论计算相符。     

二维划分反馈控制的星模拟器光源光谱匹配精度提升方法

为提高星模拟器光源系统光谱匹配精度,首先设计并搭建了基于数字微镜的星模拟器光源系统;其次,根据按波长标定的区域光谱进行遗传算法的光谱拟合,结果表明该方案拟合光谱与目标光谱存在一定匹配误差;最后,为提高光谱匹配的精度,提出了按波长和能量二维划分区域的误差反馈及精度提升方法。实验模拟了色温为2 550、4 766、6 576、8 910 K光源,结果表明相较于波长方向一维划分的反馈方法,光谱匹配最大误差分别下降了55.7%、50.6%、45.2%、42.2%,极大地提升了星模拟器光源系统的光谱匹配精度。该研究旨在补偿该类色温匹配误差所引入的星敏感器角检测误差,达到高精度星敏感器的定标精度要求。