二元光学元件在微光夜视物镜中的应用研究

利用二元光学元件独特的色差特性,将其引入到微光夜视物镜中,得到视场为12.2°、相对孔径为1.507、焦距为84.375mm、长度为88mm、而重量仅为83.5g的光学系统。针对衍射元件衍射效率对系统像质的影响,对系统的传递函数进行了修正。相对于传统光学系统,该系统不仅成像质量高,而且尤为轻便,非常适合军用步枪瞄准器等对重量要求苛刻的小型微光夜视仪的使用。

紧凑型LED配光设计中光源模型可靠性研究

针对现有LED光源建模适用条件及可靠性不确定性的问题,对紧凑型LED配光设计中光源建模可靠性进行了研究.通过优化设计具有不同透镜光源直径比模型的方法,对点光源、表面光源、ray文件光源三种建模方式在系统中的差异进行分析对比.整体设计以ray文件光源模型为基准,以常规紧凑型全反射式透镜为二次配光元件,对不同透镜光源直径比(光束角分别为±15°、±10°、±5°)的光学系统进行优化设计和分析计算.结果表明:在能量利用率误差为±2%的范围内,光束角为±15°,透镜光源直径比大于36∶2时,表面光源建模可代替ray文件光源建模;光束角±10°,透镜光源直径比为44∶2时,表面光源建模可代替ray光源建模;光束角为±5°,透镜光源直径比为82∶2时,表面光源建模可代替ray文件光源建模.但是在±2%误差范围内,点光源无论在何种透镜光源直径比,任何光束角下均不能代替ray文件光源.这一结果为紧凑型系统设计中光源模拟提供了依据,同时解决了采用ray文件光源建模进行辅助优化设计耗时较长的问题,为相关研究提供了参照依据.

仿生复眼成像系统设计与制作的研究进展

基于仿生复眼光学成像系统体积小、重量轻、视场大、灵敏度高等优点,对其研究现状和发展前景进行了综述。简要介绍了生物复眼的结构与分类;分别从平面型和曲面型仿生复眼成像系统的设计概述了仿生复眼的研究进展,给出了国内外典型复眼成像系统的结构、模型和成像功能;总结了仿生复眼成像系统应用于不同领域的特点和优势。最后,分析了目前仿生复眼的工艺现状,指出仿生复眼的功能主要受微器件制作工艺的限制,而超精密加工技术是一种革新的、综合的微细加工方法,具有制作更高精度透镜阵列,提高人工仿生复眼应用能力的潜力。

利用后置式固定校正板进行共形光学系统像差校正

共形整流罩具有良好的空气动力学性能,但非球面的外形引入了随观察视场不断变化的非轴对称像差,通常采用固定校正板和动态校正机构来补偿各观察视场中整流罩引入的大像差和动态像差。为避免动态校正机构对系统稳定性造成的影响,提出了将固定校正板置于实际成像系统后或实际成像系统中的大像差和动态像差的补偿校正方案。软件模拟结果表明:将折衍混合固定校正板后置的折反式共形光学系统模拟结构能够获得动态范围仅为0.12个波长的点斑设计结果,且系统避免了动态像差补偿机构的使用,有利于稳定性的提高。

利用自由曲面进行微变焦共形光学系统设计

为使万向支架式共形导引头光学系统获得更大的无渐晕观察视场,设计了利用自由曲面进行像差平衡补偿的折反射式微变焦共形导引头光学系统.系统在所有观察视场中的均方根点斑直径都接近或小于像元尺寸,且在非零搜索观察视场中都具有接近衍射极限的成像质量,该方法使共形光学系统获得大的无渐晕观察视场成为可能.

基于非成像光学的高亮度光源设计

基于非成像光学理论,提出了一种阵列型LED光学系统的优化设计方法。通过对二次B样条理论、Scheme语言和优化引擎的结合使用,实现了对准直透镜和柱面镜的优化设计。通过对两款透镜的灵活使用,实现了光能量的传输和重新分配,进而达到高效、高均匀性的照明要求。采用48颗,1.2mm×1.2mm朗伯体发光的线性阵列LED芯片作为光源,透镜材料均为PMMA。采用该设计方法设计的系统,其能量利用率可达到62.6%以上,非均匀性小于5%。

近水面作业的机器人综合减摇研究

近水面作业的机器人会受到波浪干扰力的影响,很难保持稳定的姿态。根据机器人近水面作业时所受到的波浪干扰力的计算方法和机器人六自由度模型的状态空间表达式,计算出适用于变结构控制器的状态空间方程。在此基础上进行了积分变结构控制器的设计过程,然后借助Matlab软件,对机器人的横摇、纵摇运动中带有PID控制器和带有变结构控制器两种情况分别进行仿真,经过对比分析,变结构控制器较好的控制了机器人的姿态。

采用树脂透镜的掌纹图像采集光学系统设计

为了获得高分辨率、高对比度和低畸变的掌纹图像,同时实现系统的轻量化和高性价比,本文基于全反射原理,采用树脂材料设计了一款由6片镜构成双远心光路的掌纹采集光学系统。树脂材料的选用减轻了光学系统的总重量;基于光的全反射原理的系统设计增强了掌纹图像的对比度;选择双远心光学结构,便于对倾斜物面所产生的梯形畸变进行矫正。对所设计光学系统的成像质量分析表明,该系统所有视场的光学传递函数(MTF)在Nyquist频率228 lp/mm处均达0.55以上,畸变<0.14%。设计的光学系统可以采集120 mm×160 mm的手掌区域,实际手掌面上的分辨率达到500dpi,采集的掌纹图像分辨率达到8.0×106 pixel,满足了实际采集的要求。

基于折射/全反射/反射/折射结构的LED准直系统的设计

设计并优化了高效且结构紧凑的折射/全反射/反射/折射式(RIXR)LED准直系统,用于收集大角度范围内的光线获得具有较小发散角的准直光束。首先,根据非成像光学理论中的边缘光线原理以及多面同步(SMS)设计方法计算系统初始结构的面型;然后,利用Zemax光学设计软件对初始结构进行优化设计;最终得到最佳结构的LED准直系统。优化设计得到的RIXR型准直系统的半口径为20 mm、纵横比为0.25、集光角为200°。LED准直系统经反向光线追迹得到边缘视场(±3.178°)点列图的均方根半径<2.1μm,故边缘视场达到了很好的聚焦效果。充分考虑材料的吸收损失和界面的反射损失后,光能利用率高达83.48%。实验表明,基于RIXR结构的LED准直系统具有光能利用率高、结构紧凑、体积小、便于应用等特点。

EEMD在同时消除脉搏血氧检测中脉搏波信号高频噪声和基线漂移中的应用

人体血氧饱和度是基于脉搏波信号测量得到的,然而在脉搏波信号采集的过程中存在着由人体呼吸和仪器本身热噪声等带来的基线漂移和高频噪声,影响人体血氧饱和度的测量精度。因此,该文提出一种总体平均经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)与基于排列熵(Permutation Entropy,PE)的信号随机性检测相结合的方法,同时消除基线漂移和高频噪声。对脉搏波信号进行EEMD分解,计算分解到得到的内在模式分量的排列熵,选取阈值,分别判断并剔除代表高频噪声和基线漂移的内在模式分量。最后信号重构就得到同时消除高频噪声和基线漂移的脉搏波信号。通过自行研制的测量装置所采集的脉搏波信号进行实验验证,利用信号的频谱和交直流比R评价效果。结果表明:该方法有效地同时消除了脉搏波信号中的高频噪声和基线漂移,这将有利于人体血氧饱和度测量精度的提高。

绝对式光栅尺母尺刻划曝光系统

提出了基于数字微镜器件(DMD)的双曝光头总体结构,该结构可同时刻划母尺的周期和非周期两个光栅码道。单曝光头包含曝光光源、调焦光源、DMD和投影镜头四部分,曝光光源由激光器、准直镜组、二维微透镜阵列和场镜组成。本文利用光学软件TracePro设计该光源,实现了能量的平顶分布,在14mm×10mm的照明面上均匀性达到95%以上。利用光学软件Zemax设计了工作在双波段(曝光光源0.403～0.407μm和调焦光源0.525～0.535μm)的共焦投影镜头,采用了二向色镜和分光棱镜使其能在曝光的同时进行实时调焦,优化后的系统在曝光波段和调焦波段均达到衍射极限,最大畸变为0.009%。与传统的光栅尺刻划技术对比,设计的曝光系统具有工艺简单、制作速度快、精度高等优势,可用于长、超长计量光栅的制作。

高衍射效率衍射望远镜系统的设计/加工及成像性能测试

为提高衍射效率,设计并制作了口径为300mm的衍射成像系统.该系统的物镜是由一块四台阶位相型菲涅尔波带片通过激光直写套刻和Ar离子束物理刻蚀技术在石英玻璃基板上加工而成.测试了衍射物镜的衍射效率,实验结果表明:衍射物镜在波长632.8nm处的衍射效率为66.4%,达到理论值的82%.搭建了衍射成像系统光路,分别采用10μm星点孔与分辨率板,测试了系统的成像性能.实验测得星点像直径为44μm,分辨率板的极限分辨率达到84lp/mm,接近该系统的理论计算值,表明该衍射成像系统具有较好的成像性能.

内掩式透射地基日冕仪中杂光鬼像的消除

为了消除杂散光对日冕仪成像质量的影响,分析了工作波段为530～555 nm的内掩式透射地基日冕仪(其视场为±1.1～3R⊙,分辨率为13.5μm,口径为120 mm,系统F数为8.2)物镜的多次反射形成的鬼像。基于鬼像形成原理,完成建模模拟,提出了结构性遮拦措施,并通过实验论证了遮拦结构对鬼像有良好的遮拦效果,同时验证了鬼像的光强和物镜边缘衍射光基本一致。实验还显示:鬼像的尺寸和模拟基本一致,直径均约为0.9 mm。消除鬼像后,内掩式透射日冕仪消杂光能力和成像质量进一步提高,实现了对日冕的有效观测。

大口径衍射望远系统公差分析及测量

由于薄膜衍射元件表面质量密度低、面形公差宽松,可将其作为空间大口径衍射望远系统的主镜,构成具有超大口径、轻质量、高集光率的光学载荷,提高对地球不受干扰、实时观测能力.本文分析了衍射元件的加工公差、衍射望远系统两部分空间相对位置的系统公差,提出了衍射望远系统两部分空间相对位置测量方法,并分析了测量准确度.该方法利用两种不同结构的计算全息元件,将激光光源在CMOS有源探测器上形成两个聚光光斑,实时分析两光斑的相对位置,可以精确测量偏心量和倾斜量,测量准确度分别可达50μm和0.003°,为未来大口径衍射望远系统在空间的实施奠定了基础.

基于双尺度相关运算的拉曼谱峰识别方法

拉曼谱峰识别是拉曼定性分析中的关键技术之一,针对现有拉曼谱峰识别方法中存在的缺陷和不足提出了一种双尺度相关拉曼光谱谱峰识别方法,即采用两个尺度下的相关系数与局部信噪比相结合来实现拉曼谱峰识别。利用MATLAB对所提算法与传统的连续小波变换法进行了对比分析,并通过实测拉曼光谱进行验证。分析结果:双尺度相关法识别一幅拉曼谱的平均时间为0.51s,连续小波变换法为0.71s;当谱峰信噪比≥6时(现代拉曼光谱仪器均可达到较高的信噪比),双尺度相关法的谱峰识别准确率高于99%,连续小波变换法的谱峰识别准确率小于84%,且双尺度相关法谱峰位置识别误差的均值与标准差均要小于连续小波变换法。通过仿真对比分析和实验验证表明:双尺度相关法具有无需人工干预,无需做去噪及去背景等预处理操作,识别速度快,识别准确率高等特点,是一种切实可行的拉曼谱峰识别方法。

户外聚光测试系统设计

为了提高聚光系统的聚光效率,设计了一种户外聚光测试系统.选二阶菲涅耳聚光系统为测试对象,采用局部测量法测试其性能.利用软件模拟聚光系统的透过率、聚光效率和聚光光斑照度分布,并利用户外聚光测试系统对二阶菲涅耳聚光系统进行实验测试.将模拟结果与实验结果对比发现:二者的光斑分布均匀性比较接近,透过率相差1.800%;聚光效率相差4.346%,主要差异来源于加工误差和测量误差.据此可以为设计和加工提供信息反馈,从而改进加工工艺,提高聚光效率.

锯齿型外掩体设计和衍射光强检测

针对太阳极轨望远镜计划对大视场日冕仪杂散光抑制的要求,设计了一个衍射抑制程度更高的锯齿型外掩体用于该日冕仪。应用半无限矩形法模拟了锯齿型外掩体衍射光强分布,得到了最低衍射强度的锯齿形状。通过实验检测了此最优锯齿形状外掩体的衍射光抑制水平,并与圆形外掩体衍射光强进行了对比,证实了锯齿型外掩体相对于圆形外掩体在抑制衍射光上的优势。实验观测结果显示,优化设计后的锯齿型外掩体的衍射光强抑制水平可以达到10-7量级,高于目前国际上实验观测到的外掩体衍射光强抑制水平10-6量级,可以满足大视场日冕仪的对杂散光抑制的要求。

准直系统对静态傅里叶变换光谱仪的影响

准直系统为静态傅里叶变换光谱仪提供准直光,其品质对光谱仪复原光谱的信噪比有着决定性的影响。研究基于菲涅尔标量衍射理论,通过数值计算软件建立了静态傅里叶变换光谱仪的物理光学仿真模型,详细探讨了准直镜头各种赛德尔像差及扩展光源尺寸对静态傅里叶变换光谱仪的影响。仿真结果表明:各类像差对光谱信噪比影响的大小呈现明显的规律性;特别是,轴外像差对光谱信噪比的影响还与光源点所处的象限位置有关;最后仿真得到了扩展光源的最大容许半径为0.65mm。此研究结果将用于准直系统的设计。

太阳能塔式电站镜场对地面的遮阳分析

分析了拟建于北京市延庆县的1 MW太阳能塔式电站定日镜场对地面的遮阳情况.采用光线追迹计算了定日镜对地面的阴影.为了精确计算镜场对地面的阴影面积,提出了相邻镜面间阴影率的计算方法,并推导了计算公式.提出了在一段时期内地面日照时间分布的统计方法.使用MATLAB编程模拟了镜场对地面的阴影以及地面日照时间分布情况,并能够绘制任意时刻地面阴影图和任意时期内地面日照时间分布图.

可横向分光的大接收角非成像式聚光系统

以传统聚光系统为基础的聚光电池虽然可以减少电池量,但需要精度高的跟踪装置,同时由于电池的吸收光谱较窄,而太阳光谱却较宽,会浪费很多能量。针对这种弊病,对横向非成像光学系统进行了研究,设计了两套接收角分别为6°和10°,聚光比分别为30和20,电池接收面积均为1cm×1cm,并能分光的聚光光学系统。设计结果表明,这些系统的光学效率在接收角范围内均大于90%。该类系统拓宽了太阳光谱的吸收范围,降低了对跟踪系统的要求,与高效太阳电池相结合,可制成高效、便携式、非跟踪太阳电池组件,为野外或战场上应用的技术装备提供电源,从而改善它们的灵活性、耐受性和有效性。