基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探测

为了解决星地自由空间光学通信系统中的提前角问题,采用了一种基于光强传输的新型波前探测技术——投影光瞳面分布(Projected Pupil Plane Pattern,PPPP),并通过实验室实验验证了该技术的可行性。PPPP基于TIE光强传输公式,根据不同传输距离下光强分布的变化反解出大气湍流引起的波前畸变。由于PPPP采用的是上行通信激光本身的后向瑞利散射,其测量的大气湍流方向与通信卫星方向一致,因此可以有效解决星地激光通信中的提前角问题。实验模拟了1 m口径的地基望远镜作为上行激光发射装置和后向散射光斑成像设备,通过等效高度分别为10 km和17 km的上行激光后向散射光斑图像来实现对10 km以下大气湍流的波前探测。实验采用的波前畸变模拟装置包括空间光调制器和透明塑料片,实验结果表明,对不同的波前畸变PPPP和通用的夏克-哈特曼波前探测器可以实现相似的波前重构,两者重构相位的残差约为初始相位的30%。

激光光束管控中光瞳光轴自动准直技术的应用

针对复杂光机系统设计中光瞳光轴位置的传递问题,构建了光瞳光轴镜耦合控制的算法模型以及实施控制的解析公式。依据耦合控制流程,阐述了解析公式中各系数的标定过程及其方法。同时通过搭建的试验光路,验证了上述模型及解析公式的合理性。结合探测器靶面上解算出的光瞳光轴光斑中心,通过光瞳光轴耦合镜各自两电机联动控制,可单步内实现光瞳光轴的快速耦合。执行3次不同控制策略下的光瞳光轴耦合,可使光瞳耦合精度达到近场光斑的0.2%,光轴耦合精度达到3μrad。

一种非稳腔激光器光瞳位置提取方法

提出一种非稳腔激光器光瞳位置提取的方法,用于光路自动准直中光瞳位置的提取。首先使用双边滤波对原始图像进行预处理,然后用系数β乘以大津算法的图像阈值得到图像的阈值,对图像进行阈值分割。得到二值图像后,对二值图像进行中值滤波。通过边缘提取算法提取二值图像中的轮廓,然后利用轮廓的中心和组成轮廓的点的数目这两个轮廓属性,找到光瞳图像的内轮廓。使用RANSAC椭圆拟合算法拟合内轮廓,以椭圆的中心作为光瞳的位置。本文提出的光瞳位置提取方法,在满足实时性要求的同时,减少了内轮廓噪声对椭圆拟合的影响,提高了光瞳位置提取结果的准确性和鲁棒性。在100帧仿真光瞳图像的内轮廓中添加40%幅值为0~13的随机噪声点的情况下,所提方法比直接椭圆拟合方法的提取结果具有更高的准确性和鲁棒性,提取位置偏差的AVG比直接椭圆拟合的结果小0.283个像素、位置偏差的最大值小0.660个像素、位置偏差的RMS小0.136个像素。

基于连续变焦的大口径长焦距的探测成像一体化光学系统设计

为实现空间目标的探测与精确识别,设计了一种基于连续变焦结构兼顾大孔径和长焦距的探测成像一体化光学系统,实现了短焦大视场探测,长焦小视场成像的目的。系统采用里奇-克列基昂(RC)结构加校正镜与变焦结构通过光瞳匹配进行结合的方式,使用两片反射镜压缩光路,系统工作于450~850 nm的光谱范围内,焦距为700~3500 mm;探测端焦距为700 mm,F数为2.5,视场角为0.5°×0.5°;成像端焦距为1400~3500 mm,F数为5~12.5,视场角为0.18°×0.18°。该系统具有探测能力强、成像质量佳、系统总长短、变焦凸轮曲线升角小等优点。

无调制四棱锥波前传感器的光瞳像标定方法

四棱锥波前传感器具有空间采样率高和光能利用率高等优点。要准确地从光瞳像中提取待测波前的斜率信息,需要事先对光瞳像的尺寸和位置进行标定。分析了光瞳像尺寸标定误差和位置标定误差对自适应光学系统闭环校正效果的影响。提出了一种对无调制四棱锥波前传感器光瞳像进行标定的方法,并在考虑系统像差和探测噪声的条件下对该方法进行了多次仿真实验验证。分析结果表明,即使系统存在像差(均方根小于1.7λ),该方法仍可以对光瞳像的尺寸和位置进行准确标定。该方法可应用于实际自适应光学系统。

红外双反射镜折转光学系统的MTF测量

为了压缩总长度,红外热像仪普遍采用双反射镜折布局(U型)及箱式壳体,而现有传函仪仅能测量非折转布局(一字型)的光学系统的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF),导致传函仪无法接到U型光学系统的像面,因此无法测量其MTF。为了解决该难题,本文采用光瞳衔接的方式,设计和加工一个中继镜组把U型光学系统的像面引出,通过测量组合系统的MTF,再计算出U型光学系统的MTF,从而解决其MTF测量的难题。然后使用6个同一个型号的红外热像仪对测量方法进行验证,在排除影响测量的干扰因素以后,通过测量组合系统MTF,再计算出U型光学系统的MTF。同时,在测量过程中发现5#、6#红外热像仪的U型光学系统的MTF下降较多,通过红外中心偏差测量仪的测量,发现第三、四镜片的中心偏差较大,故重新装调和控制,从而使U型光学系统的MTF有大幅提升。该方法为U型光学系统的MTF测量和性能提升提供了新的思路。

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。

高分辨力分光瞳差动共聚焦传感技术研究

为了提高现有共聚焦传感技术的轴向分辨力、实现微观形貌的高精度测量,在提出分光瞳差动共聚焦传感技术的基础上,对其关键参数优化理论进行了进一步研究,并研制了一种具有最优参数的分光瞳差动共聚焦显微传感器,其融合了分光瞳差动共聚焦显微技术和基于可编辑探测器件的虚拟针孔技术,利用探测区域偏移可使分光瞳共聚焦显微技术轴向特性曲线产生相移这一特性,沿特定方向在探测面上对称设置两个虚拟针孔,通过探测它们的强度响应并进行差动处理实现高轴向分辨力、高定位精度测量。对所研制的传感器进行了轴向响应特性及传感器非线性验证,给出了其轴向相对位移测量公式,还利用所研传感器对实际的高度标准样品进行了测量,经实验验证,所研传感器轴向分辨力可达5 nm,横向分辨力为0.82μm,为微细结构三维表面的高精度测量提供了一种新的传感技术及系统。

光瞳滤波提高投影光刻成像分辨力研究

针对投影光刻成像系统在数值孔径足够大时所产生的分辨力和焦深的矛盾 ,详细研究了光瞳滤波对投影成像对比度的改善情况 ,根据不同掩模图形设计对应的最优滤波器。研究结果表明 ,光瞳滤波能大幅度提高投影光刻成像分辨力并增大焦深 。

实数编码自适应遗传算法及其在光瞳滤波器参数控制中的应用

提出一种基于实数编码自适应遗传算法的光瞳滤波器光瞳函数参数优化设计的新方法.通过计算机模拟,结合实际使用场合对光能效率、旁瓣影响因子和超分辨能力的要求,选择合适参数实现最佳轴向超分辨成像效果.利用遗传算法设计的光瞳滤波器设计简单,有较好的综合效果,不仅具有较小的u0和M值,而且有较大的S值.理论和实践均表明该方法是高效和可靠的.

空间合成孔径成像光学系统的光瞳对称性

从对称性的角度分析比较了几种常见光学系统结构对非相干成像的影响。首先,采用了二维点扩散函数和二维空间调制传递函数分析评价复杂光瞳光学系统,通过理论分析得出复杂光瞳分布的对称性影响着点扩散函数和调制传递函数的对称性的结论。最后,利用二维评价手段,针对几种常见的合成孔径光学系统结构,Golay3、Golay4、JWST和Gi-ant Magellan Telescope,的光瞳分布,通过光学设计软件Zemax和Matlab综合给出它们实际的二维点扩散函数和二维调制传递函数,并结合MTF的空间分布特性对光瞳分布的对称性进行了对比。对比结果表明,近期的JWST和GMT合成孔径光学系统分别具有30个和9个MTF对称轴,明显多于早期的Golay3系统的3个MTF对称轴,其MTF的分布也更加合理。因此,对于复杂光瞳非相干成像光学系统而言,好的光瞳分布对称性具有更好的空间成像特性。

Golay6结构复杂光瞳成像研究

Golay6为非冗余的复杂光瞳结构,导出Golay6结构复杂光瞳的光瞳函数解析式和点扩散函数的解析式,在此基础上用Matlab软件模拟了调制传递函数图像,并对目标图像进行模拟成像。针对所成像对比度下降问题,在不含噪声和含噪声情况下分别进行了讨论,利用分数阶微分算子对模拟所得图像进行图像增强,结果表明经分数阶微分算子空域增强后,图像质量明显提高。

三维超分辨光瞳滤波器的优化设计

利用matlab优化工具箱,采用非线性规划,对三区振幅型(透过率为1-0-1)和三区位相型(相位角为π-0-π)光瞳滤波器进行三维超分辨优化设计,建立了优化模型,经计算机多次迭代运算,改变斯特尔比s值,给出了优化结果。结果显示:所设计的滤波器较好地实现了横向和轴向三维超分辨,且轴向超分辨能力优于横向;相同斯特尔比下,位相型三维超分辨能力优于振幅型,并且这两种滤波器结构简单,容易实现。

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G_A,G_T,S值。理论和实践均表明该设计方法是高效和可靠的.

光瞳滤波投影光刻实验研究

介绍了一套自行研制的用于光瞳滤波实验的投影光刻实验系统 ,其物镜光瞳处预留出放滤波器的位置 ,可方便取放滤波器。在理论分析的基础上 ,开展了光刻对比实验研究 ,实验研究结果表明 ,光瞳滤波能大幅度提高投影光刻成像系统分辨力 ,并增大焦深 。

基于进化算法的三区振幅型超分辨光瞳滤波器的设计

提出一种基于进化算法的振幅型超分辨光瞳滤波器优化设计的方法。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,选择合适光瞳函数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。

光瞳滤波光刻图形质量影响因素分析

在阐述投影成像光刻光瞳滤波技术原理与滤波器设计的基础上,详细分析研究了滤波成像光刻图形质量影响因素。指出影响图形质量的因素除了滤波器设计本身存在误差,主要还存在滤波器的制作误差、滤波器在成像光路中放置的位置误差和光刻工艺条件等因素。实验表明只有注意控制好这些影响因素,才能很好挖掘该技术提高光刻分辨力、增大焦深的潜能。

光瞳环带相位调制法提高数字光存储密度的研究

对高密度光存储技术中光瞳环带相位调制方法进行了分析,并将其与光学切趾术进行了比较. 研究发现,这种减小像面上光斑大小的方法是以大幅度增加旁瓣与主瓣的相对大小为代价的,它提高光存储密度的效果基本与光学切趾术相当. 但是,对于高阈值的光探测器,光瞳相位调制方法要优于光学切趾术.

具有高空间分辨力的位相型光瞳滤波式差动共焦测量法

提出一种新的改善光触针类测量传感器空间分辨力的位相型差动共焦测量方法.该方法通过具有横向超分辨能力的位相型光瞳滤波器最大程度地改善共焦测量系统的横向分辨力,通过差动共焦测量法改善共焦测量系统的轴向分辨力,最终提高共焦测量系统空间分辨能力.理论分析和实验表明,当入射激光束波长λ=632.8 nm、测量物镜数值孔径NA=0.85、uM=4时,该方法的横向分辨力优于0.2μm,轴向分辨力优于2 nm.该方法可用于表面微观轮廓及微小尺度的超精密测量.

基于进化算法的复振幅超分辨光瞳滤波器的设计

设计了一种复振幅光瞳滤波器,并提出基于进化算法的复振幅光瞳滤波器光瞳函数参数优化的新方法.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,选择合适结构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S,G_T,G_A值.