一种双视场电视/激光测距接收共光路一体化机设计

设计了一款双视场电视与激光测距接收共光路一体化机。根据应用需求,首先对CMOS、雪崩管器件选型;其次对光学、机械、电气部分进行设计,采用共用前物镜组,并利用镀有光谱分光膜的分光镜以及中继镜组,实现电视双视场与激光接收的共光路光学系统设计,电视大视场用于搜索目标,电视小视场用于跟踪目标,激光测距接收单元用于接收激光回波;然后采用主镜筒与整机壳体一体化设计,并以整体铸造方式进行加工,提高一体机整体结构强度;最后采用双H桥电机启动芯片并联设计,提高运行额定电流,并根据限位开关检测结果,实现电机对传动部件的精准限位控制。对设计结果进行分析,结果表明:设计的一体机大/小视场像质良好、像面稳定,激光测距接收单元工作状态良好。

共光路红外双波段小型化光学镜头分析与设计

针对中长波共光路小型化光学系统设计需求,建立了基于高斯光学与初级像差理论且尺寸受限下的二次成像结构光学指标分配模型。主镜因其边缘光线高度高和承担的光焦度小,其球差、色差和二级光谱是该系统像差的主要来源,为矫正二级光谱,可使用“-、+、-”结构形式的高、中、低相对色散材料的透镜组合作为主镜结构,此时主镜的残余像差较小,采用场镜降低中继镜组光线高度以及非球面矫正球差等方法平衡主镜残余像差。最后开展实例设计,对提出的小型化设计思想进行验证,设计了中波波长3.7~4.8μm、长波波长7.7~9.5μm的共光路双波红外小型光学系统,总长不大于135 mm,结构小巧紧凑,光学传函接近衍射极限,工作温度范围-40~60℃,且对温度不敏感。实现了基于二次成像结构光学指标分配模型的中长波共光路小型化光学系统分析及设计,满足中长波共光路小型化光学系统需求。

基于共光路方式的光程倍增测量方法研究

针对大长度标准装置在测量过程中占地面积大、建设难度高等问题,研究一种基于共光路方式的光程倍增测量方法,通过将光路折叠,将大空间的室内长距离测量缩短至小空间内的短距离测量。实验模拟激光干涉仪在共光路方式中的检测过程,验证测量方法的可行性,实现光程的成倍增长,测量空间成倍缩短,该方法可广泛应用于激光测距类仪器的检测。

中小型共光路系统支撑结构设计和分析

主、次镜支撑技术是共光路光学系统的关键技术之一。针对在±60℃温度变化范围内工作的机载共光路光学系统,根据热膨胀系数匹配原则分别选择殷钢和ULE、钛合金和K9配对作为主、次镜及支撑结构的材料,并设计了高刚度无热化柔性支撑结构。最后,利用自研的光机联合仿真程序对主、次镜面型及整个光学系统的成像质量进行了光机一体化分析。分析结果表明:殷钢和ULE配对时,在±60℃均匀温差和10℃轴向、径向温度梯度下,主、次镜去除离焦后面型优于(1/100)λ,整个光学系统点列图RMS半径小于艾里斑半径,相面中心波前优于(1/50)λ,MTF@63 lp/mm优于0.45,无热化柔性支撑的一阶固有频率高达263 Hz;钛合金和K9配对时,60℃均匀温差下系统成像指标满足使用要求,10℃轴向、径向温度下成像质量无法满足使用要求。对装调完的殷钢和ULE配对光机系统进行了低温下分辨率测试,分辨率无明显变化,说明设计及分析可行。

红外双波段共光路消热差光学系统设计

【目的】为实现中长波双波段红外探测,同时满足系统轻小化要求,本研究设计一套红外双波段共光路消热差光学系统。【方法】该系统采用透射式共光路结构,使用锗、硒化锌和硫系玻璃等材料的组合来满足被动消热差要求。光学系统焦距为200 mm、F/#为2,工作波段覆盖范围为3~5μm、8~10μm,达到100%冷光阑效率。【结果】像质评价结果表明,该系统的调制传递函数在空间频率16l p/mm处的值大于0.5,在-55~+70℃宽温度范围内成像良好。该系统结构紧凑,总长度不超过120 mm。【结论】该共光路实现无热化和小型化的设计要求,具有一定的工程应用前景。

六边形环带排布的共光路复眼光学系统设计

为解决仿生复眼系统目前普遍存在的空间利用率较低、子眼孔径较小问题,本文提出一种六边形环带排布的大孔径复眼系统设计方法,通过引入填充因子理论,以传统曲面圆周式排布为对照组,论证了六边形环带排布模型可有效提高大孔径复眼系统的空间利用率。针对单波段复眼系统获取目标信息量有限的问题,设计采用红外双波段共光路的成像结构形式,辅以红外双色探测器接收,增强了复眼系统获取目标信息的多维度能力,同时建立了六边形环带排布方式的子孔径定位数学模型。仿生复眼系统共由91个子孔径组成,子孔径入瞳为16 mm,焦距为48 mm,视场角为9°,子孔径合成总视场为96°×85°,中继转像系统焦距为6.14 mm,子眼系统和中继转像系统在-40℃~+60℃温度变化范围内无热差影响,探测器冷反射效应可忽略。对复眼系统进行组合,仿真结果表明:各个光学子通道均方根(RMS)半径均小于艾里斑,光学畸变值均小于0.1%,边缘子通道红外中波/长波波段调制传递函数(MTF)在17 lp/mm处均达到0.5以上。该系统结构紧凑、探测能力强,可用于复杂环境中多目标的探测与识别。

一种共光路双波段红外光学系统设计

为同时实现目标反射率、温度信息以及复杂背景辐射环境下目标信息的获取,设计了一种共光路双波段红外光学系统。该光学系统采用二次成像结构,选用锗、硒化锌和硫系玻璃结合无热化设计,引入非球面,矫正了光学系统测查与轴外像差,简化了系统结构。光学系统全长不超过145mm,工作波段为中波红外3.7~4.8μm、长波红外7.7~9.5μm,F数为2,视场不小于6°×7°,满足100%冷光阑效率。最终得到的光学系统成像质量优良:光学系统在-40~60℃范围内成像质量良好,中波边缘视场MTF大于0.5,长波边缘视场MTF大于0.25。

利用多通道相位差异波前探测法检测自适应光学系统非共光路像差

针对自适应光学系统非共光路像差检测中遇到的若干实际问题,设计了基于多通道相位差异法的波前探测器,用于在不对光路进行任何改变的前提下定量测量自适应光学系统的第一像面到成像相机之间的像差。与前人的双通道相位差异波前探测器相比,该方法对波前具有更强的约束力,从而能够对目标光源的形状容忍力更强,理论上对波前求解的精度更高。将该方法应用于1.23m口径自适应光学系统的非共光路的静态像差测量,取得了良好的效果,为光路装调带来了极大的方便。将测得的像差直接用于变形镜的初始偏置,大大提高了成像质量。

红外双波段双视场共光路光学系统

考虑红外多波段双视场共光路系统多谱段色差严重且能量透过率低,本文设计了结构简单的红外中波/长波双波段双视场折射系统,实现了成像系统的功能多样性。该系统采用了320pixel×240pixel红外中波和长波双色焦平面阵列探测器,通过引入非球面元件提高了系统校正像差的能力,实现了镜片组的结构性调整。系统包括变焦和二次成像两个子系统,其中变焦系统短焦距为50mm,长焦距为200mm,满足100%冷阑匹配。像质评价结果表明:在17lp/mm处,调制传递函数(MTF)在中波处大于0.5,在长波处两个视场下都接近衍射极限;另外80%左右的能量都能被集中在一个像元上,光谱透过率均匀,且无严重的冷反射现象。优化后的光学系统具有适用范围广,结构紧凑以及成像效果好等优点,在机载光电侦察跟踪设备上有较好的应用前景。

折/衍射双波段共光路齐焦光学系统设计

为了提高双波段光学系统成像性能,结合可见光和中波红外的特点,设计了无光路补偿的折/衍射双波段共光路齐焦光学系统。对系统的4片透镜波段间消色差以及焦距补偿表达式进行了推导,采用4片透镜并引入二元衍射面,通过合理匹配光学系统光焦度,实现了系统共用一组光路,在可见光和中波红外两个波段的焦距一致,提高了双波段观测目标信息的一致性。设计的双波段共口径/共光路成像光学系统的工作波长为0.38~0.76滋m,3~5滋m,系统的焦距为90 mm,视场角为0.5°,F数为3,在-40^+60℃的温度范围内采用光学被动式进行消热差设计。设计结果表明:系统结构简单,体积小,成像质量接近衍射极限。

用于激光接收/目视瞄准镜的共光路光学系统设计

为实现多传感器光轴校准并达到小型化轻量化的设计要求,将目视瞄准镜作为校轴光学基准,采用共用摄远型物镜组,并利用在立方棱镜斜面镀制光谱分光膜,实现高精度目视瞄准镜与激光接收的共光路系统设计。该目视瞄准镜放大倍率为7×、视场为5°、出瞳直径为Φ3.7mm、出瞳距离不小于20mm;激光接收系统视场为1mrad、接收口径为Φ50mm,设计结果满足指标要求。

三维激光雷达发射/接收共光路光学系统设计

针对空间三维坐标的测量需求，设计了3D激光雷达光学系统。系统采用发射／接收共光路的结构形式，以高斯光学为理论基础，采用Zemax光学设计软件进行仿真。该结构形式不仅提高了系统同轴度、减小外部干扰，而且简化了系统结构、缩小仪器体积。系统采用扩柬准直结构，实现8倍扩束比。通过微小的调焦，调整发射光学系统的第一片和第二片透镜之间距离在28．203—14．671mln之间变化时，实现了2—18m的测量范围内，测距精度0．02mm＋10μm/m。

"共光路"校准激光干涉仪的测长不确定度

激光干涉仪校准时为了避免引入阿贝误差,通常采用"背对背"测量方法,即标准干涉仪的反射镜与被测干涉仪的反射镜背对背放置,使标准干涉仪与被测干涉仪的光路处于同一直线上.现提出校准激光干涉仪的另一方法,利用同一组分光镜和反射镜,使标准干涉仪与被测干涉仪的光路处于同一光路上,即"共光路"测量方法.这种方法与"背对背"的测量方法相比,具有抗环境干扰的能力强的优点,使由环境条件引入的测量误差最小,其最佳相对测量不确定度优于1×10-7.通过测量数据和标准测量装置的不确定度分析,来评价"共光路"测量方法的优越性.

横向剪切干涉中非共光路误差的识别与补偿

由于相移式横向剪切干涉不需要标准参考波面,因此它可以缩小干涉腔长、甚至实现绝对的共光路干涉,从而最大程度上降低了空气扰动和振动的影响,但实验室设计的相移式横向剪切干涉测量装置中的分束棱镜、剪切平板和五棱镜的制造误差仍然造成了发生错位的两波面间产生非共光路误差。通过剪切干涉测量装置中调整误差和非共光路误差的对比分析,提出了非共光路误差的计算方法,并在测试结果中进行非共光路误差的补偿。实验结果发现补偿非共光路误差后的面形误差与ZYGO干涉仪的测量结果非常接近。

共光路三自由度激光测量系统

基于迈克尔逊干涉原理和激光自准直原理,采用共光路布局,研制了能对运动工作台同时进行一维位移和二维角度测量的三自由度激光测量系统。在位移测量中,采用光程差放大技术,并结合偏振干涉技术和信号差分处理,得到高质量的位移输出信号和高分辨力的位移测量结果。在角度测量中,运动工作台的偏摆和俯仰运动会引起固定在工作台上的反射镜位置变化。入射光被反射镜反射,并被四象限探测器探测,根据四象限探测器上的光斑位置变化,获得偏摆角和俯仰角的变化值。对研制的系统进行稳定性和分辨力测试,同时与英国雷尼绍XL-80激光干涉仪进行比对实验。实验结果表明:测量系统的位移分辨力为0.8 nm,角度分辨力为0.2″;在50 mm的测量范围内,与雷尼绍XL-80激光干涉仪测量值相比,系统的位移最大偏差小于100 nm,偏摆角最大偏差为0.5″,俯仰角最大偏差为0.4″。

共光路外差干涉仪中激光束角漂移的影响

共光路外差干涉仪中激光束角漂移的影响＊李鹏生于瀛洁张琢于英满（哈尔滨工业大学哈尔滨１５０００１）０引言双频激光共光路外差干涉仪测量表面微细形貌原理如图１所示［１］，光路１和光路２的干涉信号的光强由光电元件接收。通过分析计算［２］，可得如下关系式：１．...

共光路高重频激光测距主回波重叠现象的计算机仿真

对共光路高重频激光测距中主波与回波时刻发生重叠的情况进行了分析和研究,得出二者重叠的条件并编程实现计算机仿真。结果表明,近地卫星测距中的重叠率约为7%,中高轨目标测距中的重叠概率略高但仍小于8%,远距离月球测距中的重叠率高达10%。

相位差异法检测不理想环境下的非共光路像差

设计了1.23m地基望远镜自适应系统的非共光路标定系统。针对自适应光学系统非共光路像差检测中遇到的问题,构造了离焦量不可测情况下的相位差异法的评价函数。利用多通道约束波前的解集和像差检测与变形镜调整互相迭代最终收敛的办法,弥补了测量条件不理想对像差检测的影响。与双通道相位差异法相比,多通道相位差异法对目标光源形状的容忍力更强,理论上对波前求解精度更高。将该方法应用于1.23m地基望远镜自适应系统的非共光路静态像差测量中,取得了良好的效果,使光路装调更加方便。通过改变变形镜的初始偏置对测得的像差进行校正,提高了望远镜光学系统的成像质量。

一种测量液体旋光特性的共光路外差干涉技术

为了提高旋光特性检测的灵敏度,设计搭建了一套基于塞曼效应的共光路外差干涉仪应用于旋光液体的旋光特性检测。采用塞曼效应激光器作为光源能发出两束正交线偏光,简化了实验装置的复杂性;且在系统中利用平衡检测与差动放大器,可降低激光器本身与外部环境所造成的大部分噪声,从而提高检测灵敏度。结果表明,对(0～50)mg/dL的低浓度葡萄糖水溶液的旋光特性测量,其检测灵敏度可达2.3×10-5(°)。这种结构简单的干涉仪可应用于固态、液体或气态旋光物质的旋光特性分析中。

机载定向对抗共光路闭环系统设计

随着红外制导技术的发展,开环干扰系统已不能满足对红外制导导弹的对抗要求。本文对红外制导导弹导引头的功能和结构进行了介绍,分析了大气和系统噪声对激光信号的影响,最后简要描述了一种机载定向对抗共光路闭环系统的设计。