一种LED光能收集光学系统的设计

LED作为照明光源在现代光电仪器中得到广泛应用,光能利用效率与光学系统形式密切相关。针对将大发散角LED的光高效会聚到光纤接收端面的需求,提出了一种椭球面和聚光透镜组合光学系统设计的思路。推导了椭球面几何参数、聚光透镜高斯参数等的计算公式,讨论了此类光学系统设计必须满足的约束条件。实例验证了设计方法的可行性。

红外线聚光非球面透镜的单点金刚石镜面切削方法

根据硬脆性材料的延性域加工机理和面形误差补偿加工方法,研究了圆弧形和平头形刀具的单点金刚石延性域切削方法,在加工中直接获得了镜面切除面;并利用数控技术进行误差补偿,克服了因加工试验、刀具磨损、机械振动、热变形等造成的加工误差导致的非球面的面形精度降低和表面粗糙度恶化。并将该方法用于采用圆弧形刀具对红外线聚光的φ70mm非球面锗透镜进行单点金刚石切削实验中。试验结果表明面形误差补偿加工方法可以进一步消除加工误差,将非球面的面形精度PV值从微米级(1.23μm)提高到亚微米级(0.36μm)的程度,表面粗糙度Ra从亚微米级(0.27μm)改善到超亚微米级(0.04μm)的范围。

一体化红外双波段成像光学系统

根据目标在不同光谱波段下的光学特征设计了双波段系统,具有优于单色探测系统的探测能力和复杂环境下的目标识别与干扰判别能力,提高了有效侦察率、大大降低了虚警率。介绍了几种常见红外双波段系统,简述其原理,通过相应具体实例重点分析研究了折反式红外双波段以及折射式制冷型中波红外和长波红外双波段,采用共用窗口一体化红外双波段形式,结合二次成像和100%冷光阑效率技术,同时在两个波段内较好地完成了系统像差的校正,且两波段相对孔径、视场和焦距一致,因而可以融合中波红外图像和长波红外图像,充分利用中波红外、长波红外各自优点,符合实际应用需要。

凝视型非制冷红外热像仪的优化设计

概述了凝视型非制冷热像仪作用距离估算的几种模型及其特点。采用NVTherm分析了320×240凝视型非制冷热像仪的调制传递函数、最小可分辨温差和探测距离。分析结果表明,探测器的性能成为限制凝视型非制冷热像仪性能的关键因素。增加焦距、减小F／#、减小像元间距都能够改善凝视型非制冷热像仪的性能,增加作用距离。外场试验结果与NVTherm的仿真值符合得比较好,表明可以利用NVTherm对凝视型非制冷红外热像仪的设计过程进行优化,并能缩短设计周期。

轮廓仪检测的系统误差分析

从轮廓仪的工作原理出发,分析了影响轮廓仪检测精度的主要系统误差,并以二次旋转非球面为例计算了系统误差对面形检测精度的影响,得出Talysurf轮廓仪在测量时,系统误差对面形误差的影响随顶点曲率的绝对值、口径以及偏心率函数的增大而增大,随定位误差和不重合误差的增大而增大的结论。最后的实验结果证明了该结论的正确性。

基于非球面镜的激光能量均匀化设计

针对激光光束的能量均匀化研究,先后出现了多种方法,基于"不等步长采样"原理设计了包含非球面镜的光学系统。首先从理论上分析了其可行性,然后对实际激光光束进行了能量均匀化的设计。模拟分析结果表明,出射光束发散度小于0.02°,照度均匀度达92.9%,证明了此方法的可行性。

基于轮廓仪测量数据的非球面方程反演技术

求取未知参数或有面形误差的实际非球面光学零件面型方程,在非球面加工精度分析、光学系统成像质量分析、拆解分析光学镜头等方面都有实际需求。分析了Taylor Hobson轮廓仪测量数据格式,采用遗传算法,根据测量数据反演非球面的方程,对反演过程中采取的关键技术进行了分析。编制软件实现了非球面方程的反演,验证了所提方法的可行性。

切换变倍光学系统设计

切换变倍光学系统能实现系统两档/多档变倍,根据切换变倍光学系统特性,完成切换组元焦距与系统组元间隔、焦距、F数和系统变倍比之间关系理论研究,在窄视场子系统中旋转切入"负-正"搭配透镜组实现宽视场(短焦)子系统,同时要求该窄视场时,视场变换透镜组元不挡光。通过设计中波切换变倍光学系统实例,验证了所推导出的公式的可靠性。切换变倍系统能实现系统两档/三档变倍,且视场间切换时间快,窄视场子系统系统片数少、系统作用距离远,符合系统搜索跟踪一体化需求。

仿生蛾眼抗反射微纳结构衍射特性研究

通过分析仿生蛾眼抗反射阵列周期对反射率和透射率的影响,获得了波长与周期之比与反射波能量和零级透射波能量直接相关,分界线符合±1级衍射倏逝条件。在亚波长区具有低反射率和低零级透射率,而在小周期区具有低反射率和透射率。并且通过引入微结构顶面与底面直径之比圆锥度系数概念来表征微结构形状,从而能够分析圆锥形、圆台形、圆柱形仿生蛾眼微纳结构之间不同形状过渡的变化趋势,进而实现了制备微纳结构形状的误差分析。

基于液晶光学相控阵的非机械式光束扫描技术研究

基于衍射光栅原理,以反射式液晶光学相控阵为研究对象,针对波长1550 nm波段进行光束扫描角度计算。并对周期性和非周期性的扫描模式进行了仿真分析。编制了周期性和非周期性扫描模式的相位图程序及实验软件。实现了对光波的光学相位进行实时可编程控制。通过光束偏转实验,验证了最大偏转角度2.4°时,最大探测距离约为1.3 km。该实验结果对制导、多目标威胁预警和反击中有着指导意义。

基于液晶可调滤光片的广角多光谱成像光学系统设计

基于液晶可调滤光片（Liquid Crystal Tunable Filter,LCTF）的分光原理,设计一种工作谱段为400~720nm,焦距4.5mm,视场角140°,F数为1.28的广角多光谱成像光学系统。该光学系统由前端光学镜头、LCTF和成像镜头组成,其中前端光学系统镜头将入射光束进行扩束,同时将入射光束的广角视场缩小至LCTF可接收角度范围内;LCTF利用液晶材料的电控双折射效应,实现对某一波长光信号的选择透过。根据多光谱成像系统的总体方案,对光学系统的各光学参数进行合理选取。设计结果表明,整个系统在120lp/mm的空间频率处轴上及轴外的调制传递函数MTF均大于0.4。

利用小周期蛾眼结构提高红外材料抗反射特性的研究

在亚波长区(λ/n<Λ<λ)具有较低反射率和零级透射率,然而在小周期区(Λ<λ/n)具有低反射率和透射率。因此,基于严格耦合波分析(RCWA)理论,以硅基底仿生小周期蛾眼微纳结构为例,设计并分析了针对该结构反射率及透射率的影响因素,如占空比、刻蚀深度、周期等,并给出了最优化参数组合。在制作过程中采用电子束刻蚀及剥离技术进行掩模图形的光刻,然后经过反应离子刻蚀得到所需深度。最后,应用原子力显微镜进行结构形貌表征,红外光谱仪测试得到该结构反射率在7%左右,透射率约为69%~93%。

基于改进自适应Wiener滤波的光学合成孔径系统图像复原算法

为了解决光学合成孔径系统成像模糊问题以及研究其相应图像复原算法,采用Zemax软件分析了四孔径光学合成孔径系统的MTF,以及其像质模糊原因。并用MATLAB仿真分析常用的Wiener滤波复原算法,得出该算法在处理合成孔径系统图像存在不足。提出了一种基于K值自适应改变Wiener滤波图像复原方法,通过计算机仿真验证表明,该算法可使合成孔径系统降质图像的像质得到较好改善,复原效果优于Wiener滤波,且其像质评价参数PSNR以及ISNR分别提高了6.89%和1.1dB。

基于混合算法的光学合成孔径成像系统孔径优化

结合模拟退火算法和遗传算法的优点,在遗传算法中加入模拟退火算子,运用这种混合算法对子孔径结构进行了优化。以阵列的子调制传递函数覆盖点间距最大化及最小冗余度来设计目标函数,实现了单圆周孔径阵列和双圆周孔径阵列的优化排列。使用仿真程序对优化阵列的光学传递函数进行了分析,将优化结果与相同子孔径数目的单圆周结构进行仿真实验和比较。结果表明,采用这种混合算法是可以很好的解决光学合成孔径结构的优化问题,优化结果接近全局最优解,优化后的双圆周阵列接近Golay阵列,具有更大的实际空间截止频率。

基于3DLP投影机超长后截距双远心照明光路的设计

为了与3DLP投影机中分光合光棱镜组实现对接,设计了一种基于3DLP投影机的超长后截距双远心照明光路,工作波段为400~700nm,放大倍率为1.9倍,物方数值孔径为0.4,像方数值孔径为0.2,后截距达到140 mm,物方远心度和像方远心度都小于1°,采用尺寸为7.6mm×4.8mm×62mm的方棒匀光和0.67inch的DMD芯片,中继照明系统满足了方棒要与DMD相匹配的要求,并且具有高的照度均匀性和80%的能量利用率。

大视场空间对地遥感卡塞格林光学系统设计

设计了用于空间对地遥感的卡塞格林光学系统,系统的焦距为1 000mm,F=5.6,光谱范围0.4～0.9μm,视场为3°,畸变小于1%。采用CODE V软件优化出两种系统结构形式,这两种结构形式的光学传递函数都接近衍射极限。将第二种形式的主镜的抛物面改成双曲面,并在校正组中引入了两个高次非球面,校正透镜组减少了两片透镜,其结构简单、体积小、重量轻,更适用于空间遥感应用环境。