二维光栅光调制器阵列的光学分析与实验

基于标量衍射理论分析了二维光栅光调制器的衍射特性,提出了投影系统的光学处理方法,利用Matlab软件进行了仿真分析.分析结果表明,二维光栅光调制器的衍射光强分布是单个像素衍射光强的干涉叠加,其分布趋势与单个光调制器的衍射光强分布类似;通过反傅里叶变换可将各个调制器的衍射光重新分开而成像.如果用±1级衍射光的成像,相位为2kπ的调制器在投影面得到一个明亮的像,而相位为(2k-1)π的调制器在投影像面上得到一个黑暗的像.通过一个基于静态微光电系统光栅光调制器的投影光学系统得到了一幅明暗调制的像,证明了光栅光调制器用于投影显示的可行性.     

凹面光栅型波长解复用器的标量波动分析

利用标量波动衍射理论，通过对光栅槽面的数值积分，计算了罗兰圆型集成二维凹面光栅像点的光强分布。给出了光线追变法难以得到的光栅槽面沿光栅圆不同方位刻划所引起的成像点对于光栅方程计算位置的偏离；在对色散和分辩力的分析上，获得了与光线追迹法很好的一致性；分析了光栅的槽面波、光源的模场宽度以及因工艺产生的槽面圆角对光栅成像的影响；最后给出了光栅的波像差和光线像差的计算。     

基于大数值孔径环形光锥照明的超分辨光学 显微成像方法研究

提出和发展了一种基于大数值孔径环形光锥照明的远场超分辨光学显微成像新方法, 采用将发光二极管(LED)面光源、窄带滤光和环形光锥照明相结合的特种照明方式, 实现超分辨显微成像. 建立了大数值孔径环形光锥照明成像的物理模型, 根据标量衍射理论, 在不同环形光锥照明时, 推导出光学显微系统像面衍射斑光强分布的理论计算公式; 通过Matlab求解和绘图, 得到衍射斑光强的分布图样, 从理论上证明这一成像方法可以有效提高光学显微镜的分辨率; 建立了相应的显微成像系统, 通过实验验证了该方法可有效改善显微镜的成像质量, 显著提高分辨率; 在中心波长450 nm、环形光锥数值孔径1.125—1.25时, 实验获得的分辨率至少优于150 nm, 与理论研究结果相符合, 从而证明了这一方法的可行性.     

边界衍射波理论公式的准确性数值分析

利用数值分析的方法分析了由边界波理论公式所得的圆形光阑衍射场的光强分布.通过对边界波理论公式所得的光强分布曲线,对几何照明区与阴影区的光强分布曲线与面衍射积分公式所得的光强分布曲线进行比较,分析了边界波理论公式对衍射场描述的准确性.     

折射率偏离-1时的平板成像特性及改善

根据基尔霍夫衍射理论,对其衍射公式数值进行积分计算,推导出负折射平板折射率偏离-1时像点附近的光强分布,并用MATLAB画出了相应的光强分布图。研究表明,当折射率偏离-1时,像点附近的光强分布在z方向不再对称,但在x方向依然保持对称,不对称随折射率偏差增大而增大,像点光强变得较分散,且存在伴峰。如果把物点放在对应半径曲面的齐明点处,可以很好地消除球差,但像点位置与n′=-1时有所不同。     

Schmidt棱镜偏振像差对成像质量的影响EI北大核心CSCD

为了分析Schmidt棱镜偏振像差在自然光成像系统中对成像质量的影响,以线偏振光矢量衍射光强分布为基础,利用两种非相干叠加积分模型,获得了自然光通过Schmidt棱镜后完全相同的衍射光强分布关系。通过这个关系式分析得知,自然光经过屋脊棱镜的偏振像差表现为衍射光斑的对称分裂。对分裂导致的像面中心亮度比、分辨率以及所提出的像面变形度等像质评价参数进行了分析计算。结果表明,Schmidt棱镜的成像质量受到其偏振像差的影响严重。Jones矩阵因子B作为棱镜的结构特性参数,影响并决定棱镜的成像质量。B因子的大小就是Schmidt棱镜偏振像差的大小。理论分析及实验结果均表明,B=0为校正Schmidt棱镜偏振像差的一个条件。     

用相因子判断法分析条形余弦光栅衍射场

基于波前相因子判断法并考虑到光栅孔径的影响,揭示了余弦光栅的衍射场所含基元成分．给出了各基元成分衍射场的积分表达式,进而导出了像面上光强分布的公式,并显示了相应的沿轴线的光强分布曲线,得到各焦斑的半值线宽公式．本研究为余弦光栅用于空间滤波和光学信息处理技术提供了一个理论基础．     

相位光栅分离双波长宽角度光线的理论分析

使用衍射光栅的分色分光方式一般以平行光入射情况为讨论基础,对于非平行光入射的情况讨论较少.本文基于菲涅尔衍射理论和角谱理论,将球面波与平面波的衍射波场联系起来,从而在传播函数中引入角度参量,结合分数泰伯效应的理论基础,推导出双波长宽角度入射光线经相位光栅衍射后的波场分布函数,并对推导出的函数进行数值模拟,得到像面不同位置衍射波场分布.与平行光入射时的标准波场分布相比较,得到宽角度入射时的衍射波场的横向展宽量和偏移量.通过调节光栅台阶的宽度,改变衍射场的展宽和偏移,使各个单一波长的衍射波场宽度小于光栅周期的一半,从而减少双波长光衍射波场的混叠.同时本文给出波场宽度与光栅台阶宽度的变化关系,选取光栅面上多个位置作为台阶宽度的计算点,并对整个光栅的台阶宽度进行曲线拟合,得到可以使双波长宽角度入射光实现良好空间分离的光栅参量.该结果可用于各类宽角度入射光线的光谱分离场合,如双波长成像、液晶显示和液晶投影等.     

体全息成像系统的深度分辨率特性分析

通过分析探测点光源在x、y、z轴偏移时的衍射光场分布,研究了以球面参考光和平面物光波记录的体全息透镜系统的成像特性.结果表明:探测点光源在z轴偏移,引起衍射场的显著变化,并且衍射成像光场分布不再为理想成像点,而是在成像面上呈现扩展分布,成像质量明显下降; 探测点光源在x、y轴偏移,衍射场变化不明显,成像质量无显著变化.     

基于衍射追迹的集成成像重构算法

衍射受限集成成像光线追迹算法所重构的深度平面是物体深度的重聚焦图像,重构图像像质模糊,不利于物体的三维重构。针对这些问题,提出了一种基于衍射追迹的深度平面重构算法,由菲涅耳衍射公式计算物空间点源传播至成像系统各平面的光场分布,最终求得每个采样点在传感器上的光强脉冲响应,通过反解与光强脉冲响应相关的线性方程组,实现物体深度平面的图像重构。仿真结果表明,采用该方法实现的重构图像是物体的深度平面切片,而且图像像质接近于原始图像,有利于物体的三维重建。     

对光学设计中照度计算公式的讨论

分析并指出了教科书及光学软件中光学系统照度公式的不恰当地方,推导出了更符合实际的光学系统照度公式.假设透镜系统为无源传输模式,通过对教课书中以及光学设计软件中的照度分布计算公式进行了推导分析,得出轴外视场相对轴上视场照度为cos4 ω'关系.当像方视场角减小时,通过模拟得到了与实际相背的无源传输系统能量放大的结论.建立了以入瞳模式为参考的计箅模型,对照度公式重新进行推算得到新的与实际相符的照度公式,得出像面照度分布取决的是物方视场角.通过仿真模拟.验证了像面上轴外视场的照度与对应物方视场角的cos4 ω成止比.     

前置分划板连续变焦CCD瞄准镜光学设计

针对目前国内市场遥控武器站遥控枪塔的CCD瞄准镜不能在整个焦距范围内任意视场进行瞄准射击的问题,设计了一个前置分划板连续变焦CCD瞄准镜光学系统.它不同于一般的变焦系统,该系统采用补偿组线性运动,变倍组凸轮曲线运动的变焦方式来保证像面稳定.系统变焦比为5:1,在一定焦距范围内实现连续变焦,并且通过采用分划板前置的方式,...     

Electron mirror as a corrector of electron microscope objective aberrations

We describe a new optoelectronic system for correcting aberrations of the objective lens with the help of an electron mirror. The system is based on the implementation of a special focusing regime (so-called regime of superimposed images) in which two images of the object are formed in the plane passing through the center of the curvature of the mirror. One of these images is formed by the beams (with aberrations) emerging from the objective lens, and the other is formed by the beams (with cancelled aberrations) reflected from the mirror. The separation of the two superimposed images and visualization of the image with cancelled aberrations are performed by deflection of the electron beam in the axisymmetric magnetic field whose symmetry axis passes through the center of curvature of the electron mirror. The magnetic field distribution ensuring aberration-free deflection of the electron beam is calculated.     

像方扫描技术研究

基于显微摄影的成像原理,研究了像方扫描以扩大视场的途径,并建立了一个二次成像的设计模型,包括一个大视场的固定前置物镜组和一个运动轨迹为球面的中继透镜组。物镜组所成的一次像面优化了场曲,中继透镜组则根据该场曲进行运动,对一次像面不同区域成像,并采用光学被动消热差以保证不同温度的像质。该模型的相对孔径1∶3,波长3.7 m~4.8 m,焦距90 mm,瞬时凝视视场为4,扫描视场达24,采用7片透镜3个非球面,在全视场范围内具有接近衍射限的像质。     

用于光纤传像束的大视场低畸变物镜设计

在大截面传像束前置光学系统设计中,采用负-正型式的像方远心光路结构,在像差校正过程中引入偶次非球面和弯月形厚透镜,可较好地解决镜头轴外像差校正与像面照度均匀性问题,同时使镜头结构紧凑、小型化。通过理论计算和优化,给出工作在660 nm,焦距f=1.22 mm,相对孔径D/f=1∶3,视场角2为60的镜头设计实例。设计结果表明:该镜头各视场在40lp/mm空间频率处的MTF值超过0.8,全视场畸变小于0.05%,场曲低于50m,像面照度均匀,像质优良,满足像方远心光路要求,可用于实际观察和测量。     

变象管电子光学特性的研究

借助于电阻网模拟和数值计算,对电聚焦二极式平面阴极变象管的电场分布和电子光学特性作了精密的确定。结果表明,沿轴电位分布可以用经验公式φ=Asinh kz表示,并且求得了系数A,k,高斯象面位置和放大率等参量与极间距离的关系曲线。推导出计算畸变的近似式;实际量测表明,该近似式具有颇高的准确度。对电极系统的设计问题作了讨论。     

Design of the spatial filter window for digital holographic convolution reconstruction of object beam field

In the convolution reconstruction process of digital holographic object beam field, the object beam fields with different magnifications can be obtained when the reconstructing beams are spherical waves with different wave curvature radii. This paper presents a theoretical and experimental discussion on the useful spatial frequency spectrum of the hologram numerically illuminated by the spherical wave. The result shows that there would be an image in the spatial frequency spectrum of digital hologram, which is completely the same as the object, if the wave surface radius of the spherical wave is equal to the distance from the object to the CCD sensor. Taking this image as a reference and designing a filter, the position of the reconstructed images with different magnifications can be predicted correctly in the reconstructed plane. Additionally, since the spectrum distribution of zero-order diffraction can be forecasted accurately in theory, its contribution can be effectively eliminated through changing the spatial filter shape; then a reconstructed object field containing more high-frequency information can be obtained.     

Optical measurement of instantaneous liquid film thickness based on total internal reflection

An optical method of measuring the instantaneous transparent liquid film thickness, based on the effect of total internal reflection by the gas-liquid interface, is represented. A light circle whose diameter is proportional to the liquid film thickness and eccentricity is proportional to the slope gradient of the liquid film surface in the measurement region is formed around a small-size light source in the plane of vessel bottom. Using several light sources, the method allows measurement of the liquid film thickness field. The method is implemented in a multichannel meter of transparent liquid film thickness and curvature surface, with computer image processing.     

The weighted curvature approximation in scattering from sea surfaces

A family of unified models in scattering from rough surfaces is based on local corrections of the tangent plane approximation through higher-order derivatives of the surface. We revisit these methods in a common framework when the correction is limited to the curvature, that is essentially the second-order derivative. The resulting expression is formally identical to the weighted curvature approximation, with several admissible kernels, however. For sea surfaces under the Gaussian assumption, we show that the weighted curvature approximation reduces to a universal and simple expression for the off-specular normalized radar cross-section (NRCS), regardless of the chosen kernel. The formula involves merely the sum of the NRCS in the classical Kirchhoff approximation and the NRCS in the small perturbation method, except that the Bragg kernel in the latter has to be replaced by the difference of a Bragg and a Kirchhoff kernel. This result is consistently compared with the resonant curvature approximation. Some numerical comparisons with the method of moments and other classical approximate methods are performed at various bands and sea states. For the copolarized components, the weighted curvature approximation is found numerically very close to the cut-off invariant two-scale model, while bringing substantial improvement to both the Kirchhoff and small-slope approximation. However, the model is unable to predict cross-polarization in the plane of incidence. The simplicity of the formulation opens new perspectives in sea state inversion from remote sensing data.     

口径辐射的复源表示理论算法

提出了一种研究口径辐射的新算法,它将已知的实口径面上的场分布解析开拓,求得一复口径面上的场分布,进而利用相应复口面的Kirchhoff褶积公式,间接但严格地表示出了原口面的辐射特性。就一线性相移口径作了数值计算,并与相应的标准解作了比较。