四通道微光偏振实时成像光学系统设计

为了提高微光成像质量,实现针对动态目标或变化场景的实时性成像的需求,基于偏振成像原理,并结合孔径分割技术设计了微光偏振实时成像光学系统。光学系统采用共口径四通道阵列结构,将4个待测偏振态分成4个独立的成像通道,通过子孔径成像镜组对探测器靶面进行四象限分割成像,每个偏振通道通过放置起偏状态不同的偏振片获取目标不同偏振态的强度图像,从而实现实时偏振成像。光学系统的设计焦距为100 mm、系统整体F数为1.2、工作波长范围为0.4 μm~0.85 μm、最低工作照度为1×10-3 lx、可输出1 080 pixel全高清图像。系统光学总长为167.5 mm,单通道镜头的MTF值在40 lp/mm处全视场均高于0.57。     

轻型车载大口径光电跟测系统光学设计

设计了一套能实现机动式布站的大口径车载可见光、红外、激光光电跟踪测量光学系统。其主光学系统采用共口径光谱分光方式工作,系统有效口径1.2m,各成像通道成像质量均达到衍射极限;捕获电视系统采用连续变焦距光学系统,视场范围0.31°～4.57°;激光测距通道设计作用距离达20km。光学设计结果表明,此套光学系统能够用于空中和空间目标的运动轨迹、成像测量和实况景象记录。     

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5 m～4.8 m、长波7.8 m～9.8 m,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122/44.49双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内,在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。     

用于凝视焦平面的多视场红外光学系统

红外光学系统决定着红外系统的工作模式与工作精度,影响系统的作用距离,是红外系统的重要组成部分。多视场光学系统可以用不同的视场对同一目标进行搜索、识别、跟踪与瞄准,在军事应用领域获得了广泛的应用。光学系统的结构形式影响红外系统的成像质量、性能指标、外形尺寸、价格成本、机电复杂程度等,因此研究和选取合适的多视场光学系统结构形式显得非常重要。对目前国内外应用于凝视焦平面探测器的多视场红外光学系统结构形式,如切换变焦、光学补偿变焦、机械补偿变焦、混合变焦、双光路变焦等进行了特点分析,比较了其优点与局限性,对光学设计人员合理选用多视场光学系统结构形式具有一定的理论指导作用和意义。     

高速切换紧凑型双视场无热化红外光学系统设计

采用透射二次成像光学系统结构形式,实现了远射比为1,F数为1.67,变倍比为4.6的红外双视场光学系统设计。采用光学元件切换变倍方式,配合电磁阀切换机构实现了60 ms的变倍速率;采用光学被动补偿方式,通过适当的光学和结构材料匹配,实现了-40~+50℃无热化设计。设计结果表明：光学系统在不同温度下各视场调制传递函数在特征频率为20 lp/mm时接近衍射极限,空间排布紧凑,视场切换速度快,该双视场红外光学系统满足应用需求。     

折/衍混合的红外双视场光学系统设计

为了实现红外双视场光学系统两个视场间的快速切换,同时满足便携式及易安装的需求,设计了一种轻量化的折/衍混合红外双视场光学系统.系统采用折/衍混合和二次成像光学结构,利用光学设计软件对系统进行优化,评价了系统的像质,分析了系统温度补偿问题并给出其温度调焦曲线.系统工作波长为3.7～4.8 μm,能实现120 mm/60 mm两档焦距变换.设计结果表明,冷光阑效率达到100%,在探测器的Nyquist频率33 lp/mm处,轴外视场光学系统的调制传递函数大于0.3,系统光学总长为200 mm.整个系统包括7块透镜,只需移动一片透镜就能完成双视场的转换,结构简单,实现了轻量化和高质量成像.     

折/衍混合的红外双视场光学系统设计

为了实现红外双视场光学系统两个视场间的快速切换,同时满足便携式及易安装的需求,设计了一种轻量化的折/衍混合红外双视场光学系统.系统采用折/衍混合和二次成像光学结构,利用光学设计软件对系统进行优化,评价了系统的像质,分析了系统温度补偿问题并给出其温度调焦曲线.系统工作波长为3.7～4.8μm,能实现120mm/60mm两档焦距变换.设计结果表明,冷光阑效率达到100%,在探测器的Nyquist频率33lp/mm处,轴外视场光学系统的调制传递函数大于0.3,系统光学总长为200mm.整个系统包括7块透镜,只需移动一片透镜就能完成双视场的转换,结构简单,实现了轻量化和高质量成像.     

三通道偏振成像系统及系统误差校正方法

为了解决现有偏振成像系统难以满足目标检测和跟踪等实时图像处理领域的要求,提出一种实时三通道偏振成像系统,并对该系统存在的视场差异和非一致性误差提出了校正方法.该系统采用三个独立通道采集0°、60°和120°方向上的偏振图像,针对三个独立通道之间存在的视场差异提出了采用尺度不变特征转换配准法进行校正的方法;同时针对三个独立通道之间的灰度响应非一致性现象,根据积分球的退偏特性和探测器的线性响应模型,利用积分球产生完全非偏振光对灰度响应非一致性误差进行了校正.对比实验证明:1)本文提出的三通道偏振成像系统进行校正后的成像效果能够接近单通道偏振成像系统的水平;2)该系统能够在实时采集图像的同时,克服了多通道带来的偏振图像质量下降问题,提高了实用性.     

星载大视场短波红外成像光谱仪光学设计

根据大视场短波红外成像光谱仪的要求,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的方法,分析了视场分离方法的原理.利用此方法设计了一个星载大视场短波红外成像光谱仪光学系统,该系统由11.42°远心离轴三反消像散前置望远系统和2个Offner凸面光栅光谱成像系统组成,运用光学设计软件CODE V和ZEMAX对成像光谱仪光学系统...     

非共轴四通道偏振成像方法研究

针对当前偏振成像方法的实时性不好、能量利用率低以及分辨率不高等问题，提出了一种非共轴四通道偏振成像方法。该方法通过4个通道采集不同偏振方向的图像来融合计算偏振度图像。数值仿真分析了影响系统偏振成像结果的通道间距、通道平行度和偏振片检偏角度误差，得出了满足偏振成像精度达到1%的系统参数容限。在实验研究方面，研制出了非共轴四通道的偏振成像系统，并对室外距离约为50 m的车辆进行了实验。实验证明了该系统可以有效地对目标进行偏振成像。     

Channel reduction schemes for fiber-optic angle encoders

Three fiber-optic sensor systems designed to remotely determine angular position that achieve high angular resolution with fewer channels than comparable Gray code encoders are described. Two of the Systems use a sheet polarizer affixed to a “codewheel” and the third system uses a two-channel digital shaft encoder style “codewheel.”

The first polarization scheme uses four optical channels, two of which are analog and two digital. The ratio of the two analog channel intensities yields tan²θ. The fourfold quadrant ambiguity is resolved by the two digital channels that are transected by two semicircular masks on the polarizer codewheel (Ref. U.S. Patent No. 4,577,414, 25 Mar 1986). The second polarization scheme again uses quadrant ambiguity masks but employs only one analog channel that simulates a polarization vector that oscillates through 90°. The oscillating vector is produced by the superposition of two sine-wave-modulated beams at the polarizer codewheel. The modulations of the two beams have a phase difference that is created by time delaying one of the beams in a fiber delay loop. The phase difference between the generated composite signal and a reference signal then determines the angle of the codewheel. We have demonstrated experimentally that this type of split analog-digital scheme has a resolution equivalent to a 10-bit digital system (i.e., ±0.35°) independent of codewheel diameter.

The serial digital shaft encoder scheme uses only two digital channels and a codewheel that has two concentric masks with 48 equally spaced windows offset with respect to each other by one-half window width. At 0° there is a unique mask that initializes an up/down decoder chip (Hewlett-Packard HCTL-2000). This system has a resolution better than 7 bits using a 5-cm diameter code wheel and 1-mm Selfoc^TM lenses.

The supporting electro-optical systems including sources, fibers, lenses, mirrors, couplers, WDMs, polarizers, detectors, and signal processing for all schemes are described and the relative merits of each are compared.     

Channel reduction schemes for fiber-optic angle encoders

Three fiber-optic sensor systems designed to remotely determine angular position that achieve high angular resolution with fewer channels than comparable Gray code encoders are described. Two of the Systems use a sheet polarizer affixed to a “codewheel” and the third system uses a two-channel digital shaft encoder style “codewheel.”

The first polarization scheme uses four optical channels, two of which are analog and two digital. The ratio of the two analog channel intensities yields tan²θ. The fourfold quadrant ambiguity is resolved by the two digital channels that are transected by two semicircular masks on the polarizer codewheel (Ref. U.S. Patent No. 4,577,414, 25 Mar 1986). The second polarization scheme again uses quadrant ambiguity masks but employs only one analog channel that simulates a polarization vector that oscillates through 90°. The oscillating vector is produced by the superposition of two sine-wave-modulated beams at the polarizer codewheel. The modulations of the two beams have a phase difference that is created by time delaying one of the beams in a fiber delay loop. The phase difference between the generated composite signal and a reference signal then determines the angle of the codewheel. We have demonstrated experimentally that this type of split analog-digital scheme has a resolution equivalent to a 10-bit digital system (i.e., ±0.35°) independent of codewheel diameter.

The serial digital shaft encoder scheme uses only two digital channels and a codewheel that has two concentric masks with 48 equally spaced windows offset with respect to each other by one-half window width. At 0° there is a unique mask that initializes an up/down decoder chip (Hewlett-Packard HCTL-2000). This system has a resolution better than 7 bits using a 5-cm diameter code wheel and 1-mm Selfoc^TM lenses.

The supporting electro-optical systems including sources, fibers, lenses, mirrors, couplers, WDMs, polarizers, detectors, and signal processing for all schemes are described and the relative merits of each are compared.     

激光遥感偏振成像系统光学元件调整及误差分析

改进了利用双旋转波片方法进行偏振成像的实验装置,提出了通过一次测量获得目标偏振度和强度编码图像的方法.运用光强法对激光遥感偏振成像装置的光学元件进行调整,通过斯托克斯和穆勒矩阵在偏振光学元件中的应用,给出了相应光学元件的调整原理、方法及过程.分析了激光器中心波长变动、偏振片的角度误差和波片的相位延迟及角度误差对整个系统的影响.结果表明,由偏振片角度和波片角度误差造成的出射光斯托克斯误差较小,不超过0.001,可以忽略;由波片相位延迟不精确造成的误差在0.02左右,所以应采用延迟精度较高的波片;激光器中心波长变化的影响最大,不能忽略,必须加滤光片使接收光的中心波长控制在808nm;镀有铝膜望远镜对接收到的散射光偏振度影响较小,适于激光遥感偏振成像系统的应用.     

Laser beam manipulation by composite material electro-optic devices

Liquid crystals are anisotropic materials whose optical properties can be easily controlled applying an electric field. For this reason, they are widely used in electro-optical devices. Besides other applications, liquid crystals electro-optical devices are suitable for laser beam manipulation. In this paper, we present some devices developed or studied in our laboratory: a twisted nematic liquid crystal (TN-LC) polarization rotator, a TN-LC protected light sensor, a polymer dispersed liquid crystal (PDLC) light modulator, a PDLC optoelectronic polarizer and a polymer liquid crystal (PoLiCryst) light modulator.     

反射式光学电压互感器光路建模及偏振误差分析

光路系统的偏振误差极大地制约着准互易反射式光学电压互感器的准确度.借助琼斯矩阵,建立了分立光学器件及光纤熔接点的传输模型,推导出完整的电压互感器光路系统的数学模型.以此模型为基础,对电压互感器中的偏振误差进行了仿真分析.结果表明：光源偏振度、起偏器消光比及起偏器与相位调制器的对轴角度主要影响系统的检测灵敏度|法拉第准直旋光器的旋光角度、法拉第准直旋光器与BGO晶体的对轴角度误差是主要的偏振误差源,影响系统的测量准确度及稳定性|根据电子式电压互感器IEC60044-7 0.2S级标准,法拉第旋光角度误差应该小于1.6°,旋光器与BGO晶体对轴角度误差小于1.85°.该研究对准互易反射式光学电压互感器光路设计和误差抑制具有一定的参考价值和指导意义.     

2600W偏振耦合高效率半导体激光光源

将两个中心波长为808 nm,输出功率为1500W的半导体激光叠阵,经过快慢轴准直后,利用半波片将其中一个叠阵的偏振方向旋转90°,使用偏振分光平板的耦合功能,将两个偏振方向相互垂直的激光耦合到一个光路.扩束后再通过焦距为100 mm的聚焦镜组聚焦,提高激光器的亮度.在工作电流为75 A时,输出功率达到了2600 W,...     

太赫兹偏振测量系统及其应用

麦克斯韦方程中的介质响应特性一般由本构关系中的介电函数ε(ω)和磁导率μ(ω)来描述,对于介质中传播的电磁场,通常存在两个独立的本征传播模式,它们是齐次麦克斯韦方程组的特解,各自具有特定的色散关系和偏振态。如果介质中传播的电磁场为两个本征模分量的线性迭加,其偏振态将会随着传播的过程而改变。常见的现象有各向异性晶体中的双折射、超材料中的偏振调制效应、自然界中手性材料的旋光响应以及外磁场作用下产生的Faraday效应等。本文从测量方法、数据处理、测量精度等方面介绍太赫兹时域偏振检测系统及其发展状况,特别是利用线栅、超材料以及光学手段调制太赫兹电场偏振态的方法。对近几年太赫兹偏振检测系统在分析手性超材料、太赫兹圆二色谱以及Faraday效应等实验中的应用进行了总结和讨论。最后展望了太赫兹偏振检测系统未来进一步的发展空间及应用前景。     

Formation of Two-Pulse Lasing with a Single Photoelectrical Switching of the Electro-Optical Shutter in Lasers with Anisotropic Active Elements

We have developed an optical scheme of a laser with anisotropic active elements providing, upon a single switching of the electro-optical shutter and with the use of a bleaching filter in the cavity, the generation of double giant pulses the variation range of the time interval between which is practically unlimited. The laser provides the generation of two giant pulses whose radiation polarization planes are mutually orthogonal. An experimental study of a ruby laser of such a type with an orientation of the optical axis of the active elements close to 60° has been made.     

星载多角度偏振成像仪非偏通道全视场偏振效应测量及误差分析

星载多角度偏振成像仪自身的光学系统有一定的偏振效应,会影响非偏通道的辐射测量精度.斜入射到光学元件上的光透射率是偏振敏感的,导致了光学系统的线偏振效应.为精确反演解析出观测目标光的辐射强度,需对成型仪器本身的偏振效应进行准确的测量、定标、校正.通过分析仪器原理和光路结构,详细推导出仪器非偏通道含线偏振效应的辐射测量模型,并根据实际镜头特点合理简化了模型.提出了基于不同偏振角的完全线偏光在仪器全视场内稀疏入射并最小二乘拟合响应值的方法,对非偏通道全视场线偏振效应进行测量和定标,同时对此方法的定标过程进行了仿真.另外,分析了仪器主要物理参数有偏差时对不同偏振态入射光的反演误差,如仪器单像元方位角、显式起偏效应、低频透过率.对仪器开展了实验室定标实验,得到了仪器主要物理参数范围及其拟合偏差量,进一步算出显式起偏效应参数偏差引起的辐射定标强度相对误差最大为0.4%,满足仪器辐射精度5%的要求并留足余量.该研究为仪器非偏通道全视场的高精度辐射测量、定标及后期数据处理提供了理论依据及实验指导.