红外合成孔径衍射光学系统成像特性建模与分析

基于衍射成像机理,建立红外合成孔径衍射光学系统调制传递函数(MTF)和信噪比(SNR)模型。随后,基于三维时域有限差分(FDTD)方法计算成像系统衍射效率,进而结合调制传递函数与信噪比表征系统成像特性。最后,分析了不同工作波长、视场和填充因子对主镜成像特性的影响。分析结果表明,红外合成孔径衍射光学系统的衍射效率、MTF和信噪比均具有空变、谱变特性,且随主镜填充因子的减小而降低。当填充因子为0.6时,与理想的全孔径系统相比,MTF积分面积降低45.42%,信噪比减小4.92 dB。该模型可用于分析红外合成孔径衍射光学系统成像质量,为成像系统的设计提供参考。

空间大口径衍射成像系统的图像反演恢复与增强

面向高轨监视领域对超大口径、轻量化的高分辨率光学载荷的迫切需求,提出了一种以衍射元件为主镜的空间大口径衍射成像系统图像反演恢复与增强方法。针对大口径光学系统像差和主镜衍射效应引起的模糊严重以及点扩散函数空间变化性大等降质问题,基于正则化理论框架和等晕区分块思想,提出了基于多正则化约束的衍射成像系统图像反演恢复方法,研究了多参量多约束模型的高效求解方法。针对衍射效率不足和非设计级次背景杂波引起的图像信噪比低和对比度下降严重的问题,结合小波阈值滤波与非线性变换,提出了自适应的衍射成像系统图像质量增强方法。最后进行了实验验证,实验结果表明:当空变等级达到了3.0时,恢复结果与原始图像的结构相似度在0.8以上,信噪比提升10%以上,信息保真度在80%以上。该方法在有效提升图像清晰度与对比度的同时,提高了图像的信噪比,对超大口径薄膜衍射成像系统的实际空间应用具有一定的理论研究意义和工程应用价值。

红外折射/衍射超常温光学系统

设计了折射 /衍射混合减热差红外光学系统 ,仅使用硅和锗两种材料 设计结果表明 ,此系统具有良好的减热差和校色差作用 ,在 - 80～ 2 0 0℃温度范围内不仅得到接近衍射极限的成像质量 ,而且结构简单 ,体积小 。

基于衍射/反射光束整形系统的高密度泵浦源

利用二元光学元件微型化和对波面进行任意整形的特点,将二元光学衍射器件用于高功率激光二极管阵列光束的快、慢轴准直,并结合空心导管设计一种衍射/反射混合型光束整形系统,用于实现高密度、高均匀性LD泵浦源。应用时域有限差分法(FDTD)的严格矢量分析表明:所设计的二元光学准直器性能优良,准直后光束发散角在误差范围内接近衍射极限,慢轴方向衍射效率为82.21%,快轴方向为75.76%。模拟设计的结果表明:采用这种衍射/反射光束整形技术的高密度泵浦源能获得高功率密度和高均匀性的抽运光束,在空心导管出射端面附近光强起伏RMS<1%,并且在光束的准直性能和系统紧凑性方面优于传统整形方法。

激光衍射粒子测试系统的模块设计

介绍了激光衍射粒子测试系统的程序模块设计。该模块设计主要采用了面向对象的程序设计方法 ,应用程序全部为图形用户界面 ,使系统具有良好的可扩充性和可持续发展性。系统的功能模块主要包括 :文件服务模块、测试设置模块、系统调整模块、实时采集模块、数据处理模块、帮助模块等几个部分。这些模块相互独立而又相辅相成 ,使系统在 Win95 (Win98)下能够比较稳定地运行。通过大量的试验证明 ,该激光衍射粒子测试系统具有应用范围广 ,数据处理快 。

基于衍射光栅计量系统的非接触轮廓测量位移传感器

聚集检测法是一种非接触轮廓测量方法,但是现有的聚焦检测法采用音圈电机,其测量精度有限。针对此问题,文中提出了一种非接触位移传感器,该传感器基于改进的傅科聚焦检测法,并带有衍射光栅计量系统。通过压电驱动器取代音圈电机驱动,并配合位移计量系统,提高了传感器的测量精度。在表面轮廓采样时,根据聚焦偏差信号,压电驱动器驱动聚焦透镜作垂直运动,使焦点始终在工件表面,同时衍射光栅计量系统测得聚焦透镜的垂直位移并将其作为采样点的轮廓高度。所有采样点的位移显示出被测量表面的整个轮廓,评定软件处理这些位移数据即可获得测量结果。该非接触的位移传感器的分辨率为10 nm.

反射高能电子衍射系统（RHEED）

高能电子小角度（-2℃）掠射样品表面，可以得到电子衍射图像．通过分析电子衍射图像，可以进行表面晶体构造分析，晶体成长过程观察及成膜厚度的监控．

衍射光学系统的激光应用和稀疏成像分析

近年来衍射光学系统得到了快速发展,衍射器件(如二元光学器件和膜基透镜)相当于微波天线的固定移相器,微波相控阵天线成熟的理论和方法应可用于其性能分析。激光SAR和激光通信都具有单色且波长较长的特点,特别适合采用非成像衍射光学系统,通过衍射器件实现信号波前控制,减小焦距并有利于系统的轻量化。基于衍射光学系统,研究激光SAR和激光通信技术具有重要的理论意义和应用价值。该文给出了衍射光学系统的相控阵解释,介绍了基于衍射光学系统已开展的机载激光SAR和星载激光SAR研究工作。提出了艇载1 m衍射口径激光通信和干涉定位系统概念并分析了其性能,该系统在10 m短基线下,其作用距离将达到4×108 km,对应的定位精度在6 km量级,可用于深空探测。该文同时探讨了稀疏采样激光成像问题,在激光照射目标条件下,提出用傅里叶透镜将激光图像信号变换到频域,在低频区域利用小规模探测器实施稀疏采样,等效进行2维低通滤波处理,再用计算机重构目标图像的设想,给出了一些初步的仿真结果。

相干与非相干照明衍射受限系统成像仿真

实际观测系统必须考虑衍射对成像的影响。依托Matlab软件平台,以最简单的衍射受限光学系统—单个无几何像差薄透镜成像为例,分别以瑞利观点和阿贝观点为理论基础,仿真了系统在相干和非相干照明下的成像,并比较了各自的成像特点。这些工作有助于理解衍射受限系统成像机理和特点,相关程序和算法可以推广到其它有衍射效应系统的成像计算。

主镜台阶数目对衍射成像系统传递函数的影响分析

为研究位相型菲涅尔透镜台阶近似引起的衍射杂散光对衍射成像系统调制传递函数(MTF)的影响,本文运用波动光学仿真分析方法模拟光波的传播。通过有限个级次的衍射波面在系统像面上相干叠加,得到系统的点扩散函数(PSF);对其进行傅里叶变换,得到系统的MTF。以菲涅尔主镜口径为80 mm的衍射成像系统为样机,分析了衍射主镜台阶数目为二、四、八时,系统MTF与理论设计值的差异。结果表明,随着衍射主镜台阶数目的增加,衍射杂散光对系统MTF的影响减小;并且四台阶时,与设计值的偏差已经小于0.5%。最后结合几何光线追迹仿真分析,提出将衍射主镜加工成中心区域多台阶、边缘部分为二台阶的思路,降低了衍射杂散光的影响。

大口径衍射望远系统初始结构研究

大口径衍射望远系统由于使用透射式的薄膜衍射光学元件作为主镜,不仅质量密度低(表面质量密度可以达到0.1 kg/m2),同时面形精度要求宽松,发射成本低。本文阐述了衍射望远系统的基本成像原理,并推导出任意大口径系统的初始结构计算公式,给出了口径为300 mm、系统焦距为2 m,工作波段为0.58μm到0.68μm的系统设计实例并研制了原理验证系统,进行了星点像以及分辨率板实验。成像结果接近衍射极限,与设计结果相符。本文所做工作为大口径衍射望远系统的设计提供了良好的理论基础和初始模型结构,能够极大地缩短设计周期,提高成像质量。

衍射光学系统红外光谱目标探测性能

衍射光学系统具有大口径轻量化的优点,但其光谱范围较窄,能利用的红外信号能量较小,通常认为采用后会使红外相机的探测信噪比降低。基于衍射光学系统,分析了对地观测红外相机的目标探测性能,结合一个非制冷红外相机信噪比计算示例,明确了在地物背景和目标光谱特性不同的条件下,基于衍射光学系统的红外相机仍可能具有良好的目标探测性能。同时将红外相机等效噪声功率与激光和电子学系统进行对比,提出了红外探测系统的性能还可能进一步提高的观点,给出了一种引入激光本振结合电子学滤波细分红外光谱降低等效噪声功率的方法。

用于三维测量的双路点衍射干涉系统

针对在仅有一个光纤对的单路点衍射三维测量系统中,存在平行于条纹的横向方向上测量精度低的问题,提出了用于三维测量的双路点衍射干涉系统。分析了点衍射波前误差、测量探头结构布局以及三维迭代重构算法对于三维测量精度的影响,在此基础上确定点衍射源结构以及探头结构布局等最优系统参数。实验结果显示,单路点衍射干涉三维测量系统在xy方向的精度分别为亚微米量级和微米量级,而双路点衍射干涉仪系统可在三维方向上同时达到亚微米量级,验证了所提出的双路点衍射干涉系统方案的可行性和准确性。所提出的双路点衍射干涉系统有效的实现高精度三维测量,为无导轨三维位移和尺寸等测量提供了一种可行方法。

圆环形出射光瞳的衍射受限系统光学传递函数的推导和分析

根据光学成像理论,详细推导了在理想状态下圆环形出射光瞳的衍射受限(非相干)系统的光学传递函数。

相干传递函数用于衍射受限系统的研究

实际光学成像系统必须考虑衍射效应对系统成像质量的影响.根据衍射受限系统成像的瑞利观点,运用相干传递函数对最简单的衍射受限系统的成像质量进行了理论模拟和实验研究.模拟和实验均显示:随着衍射受限系统孔径光阑D尺寸逐渐变大,系统所成像的清晰度越来越高.实验同时表明在孔径光阑尺寸D确定的条件下,延长CCD的曝光时间,衍射受限系统的成像质量会得到很大的提高.

衍射微机电系统为光学网络提供了新的平台

动态组件是一种能弥补传统有源组件(激光器、探测器、调制器)和无源组件(多路传输器、隔离器、环行器、耦合器)缺陷的新型器件.传统概念的第一代动态组件是指电动机控制的可调光学衰减器(VOA)和笨重的机械式开关,这些早期的动态组件不能满足器件集成和结构精巧的要求.采用微机电系统(MEMS)之后,新的动态组件包括了光交叉互连器、开关、VOA、增益均衡器、通道平衡器、可调谐滤波器、激光器以及动态色散控制和可编程光学插分复用器等.

衍/折射光学系统校正二级光谱的研究(英文)

将衍射和折射光学元件结合,对星载用宽光谱(420.0～900.0nm)、长焦距(450mm)望远物镜的二级光谱进行了校正,计算了衍射透镜的结构尺寸和望远镜系统的像差。计算机模拟结果表明:采用衍/折射混合校正后的望远物镜的二级光谱不大于0.08mm,轴上点的位置色差也很小,实现了复消色差,光学传递函数也基本接近衍射极限。所设计的整个系统可以满足实用要求。