一种可调焦离轴两反光学系统精密调校工艺技术研究

针对可调焦离轴两反光学系统的精密装调,提出了一种共基准调校方法,使导轨导向与主镜和次镜光轴均以同一基准进行精确调校,实现导轨运动轴线与主镜和次镜光轴平行。主镜、次镜系统光轴一致性调试采用初调整和精调整两步完成,初调整实现主镜和次镜基本位于理论安装位置,降低装调误差,然后进行计算机辅助装调,实现主镜和次镜光轴一致性精调整,使系统波像差满足要求。实验结果表明:无穷远处系统波像差RMS达到(1/15)λ(λ=632.8 nm),系统衍射分辨率达到0.64″,系统调焦至10 mm处,实测主镜、次镜系统所成焦距为1608 mm,系统分辨率为2.6″,达到设计要求。

离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜

针对传统点聚焦菲涅尔透镜聚光分布均匀性差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点,采用离轴非旋转对称叠加方法进行了方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜设计,透镜采用方形非旋转对称结构,设计过程中通过在透镜中心截取一方形小孔来降低聚焦光斑中心辐照度峰值,改善接收面聚光分布,以提高聚光均匀性.采用光线追迹法模拟并分析了小孔边长、离轴偏移量、离轴聚焦距等参量对聚光性能的影响,结果表明:采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形,聚光均匀度高达90%.

离轴卡塞格林光学系统装调技术

介绍了一种离轴卡塞格林光学系统的高精度装配和调整方法。针对离轴抛物面主镜装配难点,通过理论计算及仿真分析,确定粘接形式及粘接面积,利用干涉仪及平面镜实现自准直检测,完成了主镜的微应力装配。结合系统结构特点,通过测量主镜最佳面型,将主镜位置姿态与机械基准建立关系,使主镜光轴与机械基准保持一致。通过分析次镜失调量与系统波相差之间的关系,对次镜进行六个自由度的调整实现系统波相差校正。主镜粘接装配后面型变化小于5%,系统装调后波像差优于0.055λ,均满足了设计指标要求。

基于Seidel像差理论的离轴四反初始结构自动化设计方法研究

离轴反射系统设计的关键环节是确定适用初始结构并进行优化,一般从同轴结构或者专利库中寻找相似的结构开始优化,这往往需要耗费大量的时间。以Seidel像差理论为依据,研究了一种获取离轴四反系统初始结构的设计方法。在设计之初引入视场偏置,通过追迹近轴光线给出五种单色像差的初级Seidel像差表示。以Seidel像差绝对值最小化作为目标函数,同时加入对光学和系统结构上的限制条件构建含有约束条件的单目标非线性优化模型,并通过粒子群优化算法进行求解。在此基础上,通过MATLAB调用CODE V API接口,判断此视场偏置情况下是否满足无遮拦的条件,并从中挑选出满足条件的初始结构。设计了一款焦距为1200 mm,视场1.2°×20°,F数为6的离轴四反光学系统,系统结构布局紧凑,成像质量良好,各项指标均满足设计要求。

离轴超构透镜设计与特性分析

本文提出了一种离轴超构透镜的设计方法,并分析了不同数值孔径、离轴角度等参数对于离轴超构透镜的光谱分辨率、聚焦效率以及仿真结果的影响。利用Lumerical软件分别仿真了参数为NA=0.408、α=13°;NA=0.180、α=13°及NA=0.408α=20°等多个离轴超构透镜。仿真结果表明:离轴角度与光谱分辨率大小成正相关,离轴角度越大,光谱分辨能力越强,但聚焦效率越低;数值孔径越小,相位分布的覆盖范围越小,会导致仿真聚焦位置与理论值偏差变大。设计者需要根据需求合理平衡数值孔径、离轴角度等参数,最终实现理想效果。本文得出的结论对离轴超构透镜的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。

新型行波离轴离子传输器的设计与表征

为滤除质谱系统中来自电喷雾电离源(ESI)的大量中性污染物和带电液滴,提高质谱系统的灵敏度、信噪比和耐用性,出现了一种基于行波堆叠环的离轴离子传输器。根据其结构特性,本研究设计了对应的行波射频耦合供电电源及测控系统。采用以太网通讯协议控制现场可编程逻辑门阵列(FPGA)以实现全电路的信号控制和发生,通过12位模数转换器(ADC)和16位数模转换器(DAC)实现8通道行波幅值的监控,并设计双平面变压器耦合电路,在堆叠环上成功实现了行波提供轴向动能的效果。测试了硬件系统在离轴传输结构上的电参数稳定性和精度,结果表明:行波电源可控电压范围为0.1~100 V;行波电源脉冲频率范围为0~400 kHz;直流转直流(DC-DC)直流高压纹波小于0.03%;行波高低电压全量程检测绝对误差小于0.03 V;行波高低电压控制输出全量程绝对误差小于0.04 V;多通道射频峰峰值电压差小于1 V;行波上升下降时间均小于30 ns;射频和行波波形平滑,该电源系统能够满足堆叠环离轴传输器的电源设计要求。在粗真空下,采用利血平离子对离轴结构的性能进行测试,实验结果为行波堆叠环结构的离子传输和离轴分离提供了基本理解,对高信噪比质谱系统的研发具有重要价值。

基于相干合成涡旋光束的离轴入射转速测量

基于涡旋光束旋转多普勒效应的转速测量技术,在实际应用中面临探测涡旋光功率低、难以严格沿转轴入射、轨道角动量谱扩散严重等问题,直接影响转速测量的距离和精度.阵列光束相干合成高质量、高功率的涡旋光束,是提高回波信号强度最直接的技术方法.本文在光纤激光阵列相干合成涡旋光束转速测量实验装置的基础上,开展了离轴入射条件下的相干合成涡旋光束目标转速测量的理论建模和实验验证研究.首先,对离轴入射相干合成涡旋光的轨道角动量谱进行了理论研究,建立了基于旋转多普勒效应的相干合成涡旋光束目标转速解调的一般模型.其次,进行了离轴入射情况下的目标转速测量实验,实验结果验证了该转速解调普适模型的有效性.该研究可为基于涡旋光束旋转多普勒效应的远程探测应用提供技术参考.

基于离轴积分腔输出光谱技术的二氧化碳测量

利用1.573μm的分布反馈式二极管激光器作为光源,搭建了一套基于离轴积分腔输出光谱(ICOS)的二氧化碳(CO_(2))气体检测装置。选取CO_(2)在6358.65 cm^(-1)处,线强为1.732×10^(-2)3cm^(-1)/(molecule·cm^(-2))的吸收谱线,测量了密封腔体内400×10^(-6)的CO_(2)直接吸收信号。实验结果表明在镜片反射率为99.98%和60 cm腔长内,实现了2.4 km的有效光程,系统的线性度为0.996。通过长时间测量密封腔体内的CO_(2)直接吸收信号,根据Allan曲线分析得到系统最佳积分时间为98.3 s,最小可探测极限为0.63×10^(-6)。最后,实验室环境测试实验结果表明室内CO_(2)浓度值变化符合实验室人员活动作息规律,验证了测量装置的可靠性和稳定性,同时为室内CO_(2)排放管理提供实用的科学依据。

大口径离轴反射式星模拟器光机结构设计

根据高精度星敏感器地面测试任务中模拟无穷远处目标星体的实际应用需求,针对常规星模拟器体积庞大,装调及校准困难等实际问题,设计了一种大口径、长焦距、可实现自准直功能的离轴反射式星模拟器光机结构,用来模拟无穷远处的恒星所发出的平行光。采用离轴反射式光学设计,避免中心遮拦。采用光管焦面分光方式,通过半透半反式分光镜的反射与透射功能实现光路的传递,压缩了镜筒长度;通过探测器接收分光镜透射的光像可直接辨别光学系统的准直性能,便于装调,且方便后期使用与校准;采用顶丝调节姿态降低了装调难度。实际测试结果表明:光机系统的入瞳口径φ210mm,出瞳距离2100mm,整机的系统波像差(rms)测量值为0030λ,可精确模拟0~7等星,工作波段500~800nm,满足当前对高精度星敏感器的标定技术指标要求,为星模拟器的高效快速研制提供了一种设计方法。

基于自由曲面的紧凑型大视场离轴三反空间光学系统设计

为缩小空间光学系统的体积,降低遥感卫星的发射成本,根据初级像差理论求解光学系统的初始结构,采用视场和面型的渐进式优化策略设计了一款焦距为2000 mm,视场为5°×5°,F数为12.5,外包络圆直径为750 mm,具有“环形轮廓”的离轴三反光学系统。系统的主镜和三镜采用XY多项式自由曲面,次镜采用Zernike多项式自由曲面。根据自由曲面的面型参数,仿真出三个镜面的二维矢高图。设计结果表明系统的成像质量接近衍射极限,各视场RMS光斑直径最大为8.38μm,小于探测器的2个像元尺寸大小。系统能量集中度高,最大相对畸变量为1.88%,最大波前像差为0.053λ,各视场波像差优于λ/18。公差分析结果表明系统成像质量良好,可以满足各项指标要求。

基于离轴级联超表面的轨道角动量解复用系统设计

设计超表面系统时,实际制作的超表面效率与理论设计效率相差较大,常会存在超表面调制效率不足产生的杂散光,这些杂散光作为背景噪声在级联超表面系统中的影响会逐级放大,影响系统功能。为了降低有限效率的超表面对系统性能的影响,本文提出了一种基于离轴级联超表面的轨道角动量解复用系统设计方法。这一工作通过加入离轴相位设计,有效消除了级联超表面系统中因超表面效率降低所产生的杂散光。利用FDTD(时域有限差分)仿真软件进行计算和验证,结果表明,离轴级联超表面系统能有效减少因调制效率不足而产生的杂散光,与同轴系统相比,实现了最大串扰降低4.15 dB以及平均80%的杂散光消除,展现出较大的性能优势。

面向镜面面形可检测性的离轴三反光学系统设计方法

光学系统镜面面形的可检测性是光学系统从设计走向应用的基本条件。目前的光学系统设计方法多侧重于约束外形尺寸、提高成像质量,光学系统设计和光学元件检测设计与评估经常是先后进行的,在系统设计时不直接得到检测性的反馈。对于高指标要求的光学系统,容易造成系统像质设计良好、但元件检测难度过大的情况,使光学系统的落地应用产生瓶颈。在光学系统优化设计过程中,融入检测的相关理论方法是解决光学元件面形可检测性的重要途经。以离轴三反光学系统设计为切入点,CGH(Computer Generated Hologram)为光学元件检测工具,推导了光学系统设计参数与CGH相关参数的数学关系,作为光学系统面形的可检测性的桥梁,建立了面向镜面面形可检测性评估的离轴三反光学系统设计方法。在设计验证环节,以焦距为800 mm、F数为4、视场为14°×2°的离轴三反系统为例进行了设计仿真,在保证系统像质(调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)值大于0.4@100 lp/mm)的同时,将用于检测的CGH最小条纹宽度从4.84μm提升到14.34μm,提高了非球面反射镜的可检测性。该设计方法实现了在光学设计中对检测参数的评估与控制,对降低光学元件检测难度、提高光学系统设计的可实现性具有一定意义。

基于干涉条纹成像的测角系统设计及其离轴测量精度

基于干涉条纹成像的测角系统测量精度随着测量范围的增大而下降,单纯提高精定位的细分倍数并不能提高测量精度。针对这一问题,本文围绕非成像系统的参数设计方法及大测量范围下的精度变化情况展开研究。建立了双光栅干涉系统及光楔阵列波前分割的数学模型,给出了近轴条件下非成像光学系统的参数设计方法。设计了一台一维高精度光学测角系统,并对该系统在整个测角范围内的测量误差进行了分析和计算。结果显示:利用本文提出的数学模型和方法,所设计的测角系统在[-5°,5°]的测量范围内,近轴区的测角分辨率为0.02″。随着测量范围的增大,干涉条纹相位非线性变化引起的精定位误差成为系统测角误差的主要来源,最大测量角度下精密轴的测量误差为0.42″。上述结果表明采用本文提出的模型和参数设计方法,可以设计出具有较高测角精度的光学测角系统。

部分相干多离轴涡旋矢量光束的传输特性

基于相干与偏振的统一理论,采用傅里叶变换和卷积定理的方法,研究了携带多个离轴涡旋相位的径向偏振矩形对称余弦-高斯关联结构光束的传输特性.结果表明,该光束因其独特的空间相干结构而具有自分裂特性,可以分裂成4束完全相同的子波瓣.更重要的是,多离轴涡旋相位的调制可以作用在每个子波瓣上.当相干度较大时,通过调制光束的离轴涡旋数量N_(0)和光束阶数可以在焦平面处产生具有三角形或正方形等多边形空心光强分布的光斑阵列,并且每个子波瓣上对应的偏振态呈现倒三角形或斜正方形的椭圆分布.当相干度较小时,部分相干光束的空间相干性调控占主导作用,多离轴涡旋相位的调制效果消失,每个子波瓣的光强退化成高斯形式分布,但其偏振态分布仍保持不变,与光束阶数和相干长度无关.此外,当利用障碍物遮挡住其中一个离轴涡旋相位时,光束仍具有一定的自修复能力.然而,若将其中一个离轴涡旋相位完全遮挡住,此时每个子波瓣的强度分布和偏振态分布都遭到破坏,会出现不同程度的“缺口”.

自由曲面在离轴两反无焦系统优化设计中的应用

为了克服传统非球面在光学系统的结构设计中无法同时兼顾成像质量与系统体积要求的困难,使用自由曲面对一个离轴两反无焦系统进行优化。基于矢量像差理论,推导了当自由曲面在孔径光阑位置以及偏离孔径光阑两个不同位置时,系统的像差分布公式,并在此基础上有选择性引入Zernike项以平衡像差,具体讨论了不同类型像差的平衡参数选择。利用这一方法完成了一个小型化红外离轴两反无焦系统的设计,得到了一个入瞳直径为200mm,波段为2.4~3.0μm,放大倍率为5×,全视场角为0.4°,波前RMS最大值为0.0682λ(λ=2.7μm),平均值为0.0291λ的优化结果。与传统二次曲面设计方案进行比较,波像差有了明显改善,且MTF在中低频有显著提升,全视场内接近衍射极限。

离轴反射系统的像差失调量计算方法

基于矢量像差理论,推导了离轴反射系统的失调像差表达式,提出一种高效的离轴反射系统装调方法。通过分析发现失调离轴系统不会引入新形式的像差,只是由于光瞳缩放因子的原因,相较于同轴母系统,其几项初级像差会进行缩放,且高级孔径像差会部分转化为低阶孔径像差;利用Zemax软件对离轴双反系统进行仿真,验证了失调像差表达式,模拟装调的失调量达到了10^(-4)mm数量级。最后,利用该计算方法指导了实际Φ150mm口径离轴双反扩束系统的装调,各初级像差达到10^(-5)(λ=632.8nm)数量级,系统的RMS值达到0.04λ,验证了该像差失调量计算方法的准确性。

轴向非均匀等离子体波导激光离轴导引研究

高强度的可调谐太赫兹源是许多应用的理想之选,通过向轴向非均匀等离子通道倾斜注入弱相对论激光,探究激光束在轴向非均匀等离子体波导中的离轴导引效应及其影响。在离轴模型下,微小的偏轴入射角度变化可显著影响光束中心的振荡相位和振幅。随着轴上电子密度梯度的增加,光束中心振荡的周期变短。相比激光准直入射,离轴初始位移和离轴角度会引起光强的周期性振荡,而轴上电子密度梯度的增加会导致逐渐增强的发散性振荡。对比圆对称激光离轴导引,发现非圆对称激光束宽的离轴导引下激光光强的聚焦-散焦现象才会受离轴入射位移和角度的调控。厘清了非均匀等离子体通道对离轴入射激光导引的影响参数,可以在电子密度上升阶段调制参数,使激光场聚焦,从而提高太赫兹辐射强度和可调谐性能。

离轴数字全息的正一级像自动重建方法

针对离轴数字全息中零级像和共轭像模糊重建像的问题,提出了一种基于峰值信噪比的自动提取正一级频谱并重建其图像的方法。理论上推演并分析了该方法的合理性和可行性,获知了频谱振幅的三个冲激函数点对应于正负一级和零级频谱中心。通过频谱图中的振幅极大值点可确定这三个中心点,然后利用圆形滤波窗提取正一级频谱,并以峰值信噪比为客观评价依据来确定最佳滤波窗半径和重建距离。实验结果表明,所提出的方法可以自动重建离焦全息图像的正一级像,与不滤波重建结果相比,其峰值信噪比提高了32.2%,且比全局阈值分步迭代法提高了7.6%。该方法不依赖于其他先验信息,为离轴全息频谱滤波算法提供了一种新的可行方案。

离轴拖挂轮式移动机器人跟踪控制研究

针对离轴拖挂轮式移动机器人挂车的轨迹跟踪控制问题,基于拖车和挂车运动轨迹的相对曲率关系提出了一种动态跟踪方法。建立离轴拖挂轮式移动机器人的运动学模型和动力学模型。通过拖车和挂车位置几何关系给出了两车的速度关系,进而得到两车运动轨迹相对曲率之间的关系。基于曲率关系将挂车的运动任务转化为拖车的运动任务,并结合动态跟踪方法设计比例积分反馈控制器完成拖车的运动任务。最后通过模拟仿真实现了挂车精确的轨迹跟踪控制,仿真结果表明在所提控制器的作用下,挂车在拖车的拉拽下可精确地跟踪目标轨迹曲线。由于所使用的动态跟踪方法引入了目标轨迹曲线的相对曲率,极大地提高了跟踪的精确性。

用于离轴积分腔输出光谱的非对称拟合算法设计

目的:研究离轴积分腔光谱技术(OA-ICOS)在实际应用中快速的激光扫描造成吸收谱线非对称,而传统的线型拟合函数无法满足,导致拟合误差大,测量精度低的问题。方法:介绍了一种基于OA-ICOS的非对称拟合算法用于拟合非对称吸收谱线,提升测量精度。该算法从OA-ICOS的原理出发分析导致谱线非对称的原因,并结合Voigt线型函数引入非对称特征,获得含非对称因子的谱线拟合函数。结果:在实验中,分别设置激光扫描频率为50 Hz、150 Hz、300 Hz时,利用Voigt拟合算法得到的吸收峰中心位置偏移量分别为4×10^(-3) cm^(-1)、4.8×10^(-3) cm^(-1)、6.2×10^(-3) cm^(-1),使用非对称拟合算法得到的吸收峰位置偏移仅分别为2.4×10^(-3) cm^(-1)、2.4×10^(-3) cm^(-1)、1.5×10^(-3) cm^(-1)左右。结论:在快速激光扫描频率下,该算法能够更准确地拟合非对称吸收光谱信号,从而提高了拟合精度。