一种用于大气探测的紫外成像仪光学系统设计

提出了一种将全景成像系统应用到大气临边探测的光学系统设计方案。首先考虑到特殊的工作波段以及创新性应用,根据应用技术指标,在传统全景环形透镜的基础上,结合探测器尺寸限制,精细调整四个球面的曲率半径,以便得到最佳光学传递函数。然后基于像差理论设计中继镜组系统,补偿全景环形透镜产生的像差,采用折射率n以及阿贝常数ν不同的双分离的正负透镜组合,负透镜采用熔石英,正透镜采用氟化钙,从而使色差最小。最后运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化,列出重要的公差参数,为后续加工装调提出要求。优化结果表明,光学系统在各个视场的光学传递函数均达到了0.7以上,各视场能量集中度为80%的弥散圆直径均小于11 μm,完全满足设计指标要求,也证明了将全景环形成像系统应用到紫外波段大气临边探测的方案是可行的。     

高分辨PAL成像系统的设计研究

基于全景环形透镜的成像技术是全景成像中的一种最具潜力的成像方式,具有高分辨率的长焦距全景环形透镜成像系统光学结构较复杂,结构设计是首要解决的问题.本文根据全景环形透镜成像系统的光路结构及成像特性,详细讨论了全景环形透镜和转像透镜组两部分的设计方法,分别设计了单块全景环形透镜和复杂化全景环形透镜,并对它们的像差特性做了对比,分析了它们之间的光路衔接条件和像差补偿方案.该设计采用小尺寸CCD离轴扫描接收环形像,同时分析了这种扫描机构的可行性.系统要求在300m处需分辨250mm大小的物体,通过计算合理地选择了系统焦距和CCD型号并制定了一套技术指标.最终设计出了焦距8mm,F/#3.2,侧向视场40°~100°的高分辨全景环形透镜成像系统,系统由三胶合结构的全景环形透镜和8片6组的转像透镜组构成,所有表面均为球面.该系统全视场的调制传递函数在80lp/mm处均高于0.5,最大视场像面的相对照度高于0.95,全视场f-θ畸变在±3%以内,该设计很好地满足了使用要求.     

谐衍射/折射双波段系统设计

将谐衍射透镜成功地引入红外凝视阵列探测器双波段系统的设计中,使系统在3．7～4．3μm的中波红外和8．7～11．5μm的长波红外波段同时较好的完成了像差校正。光学传递函数在两个波段范围内,在18lp／mm时的归一化值均大于0．5,接近衍射极限。该系统具有100％冷光栏效率。设计结果表明,谐衍射透镜的光谱特性介于折射透镜与衍射透镜之间,色散大小可以控制,降低了对工艺水平的要求,使红外双波段系统结构紧凑,透镜组片数少、分辨率高。为红外光学设计提供了一种全新的器件。     

折射/衍射混合红外双焦光学系统设计

利用二元光学元件消色差和对波面进行任意整形的特点，将二元衍射面应用于红外双焦光学系统中，对变焦方程的解进行了分析，给出了具体的系统设计实例.设计结果表明，在仅使用4片锗透镜的情况下，系统焦距为80 mm，F数为0.8时，系统垂轴像差小于72μm，在10lp/mm时光学传递函数大于0.8；系统焦距为160mm，F数为1.6时，系统垂轴像差小于35μm，在10lp/mm时光学传递函数大于0.7. 关键词： 红外变焦光学系统 折射/衍射混合透镜 光学设计     

平行光管测量透镜分辨率中观察系统对结果的影响及其它有关问题分析

透镜分辨率是透镜的重要参数之一，对理想透镜，通常用瑞利判据给出最小分辨率弧度，式中λ为光波波长，D为透镜直径，付立叶光学从频谱的角度分析，对于相干光给出了对于强度而言的透镜空间截止频率以及对于非相干光的对于复振幅而言的截止频率不难得出，所确定的透镜分辨率对于相干光来说不小于瑞利判据所给出分辨效率的二分之一（），至于非理想透镜，因为存在像差和色差，分辨率小于同一孔径的理想透镜，除了通过比较复杂的光学传递函数测定从而确定透镜的分辨率之外，通常采用比较简便的用平行光管直接测定透镜的分辨率，这是普物光学…     

湍流大气成像系统分辨率的研究

采用基于Kolmogorov 1941串级湍流模型建立的调制湍流折射率谱模型、简单透镜成像系统传递函数的高斯函数近似和平方近似,从理论上分析了大气成像系统的光学传递函数,研究了有限湍流尺度(湍流内、外尺度)对湍流大气中成像系统光学分辨率的影响。给出了成像系统长曝光光学传递函数和积分分辨率的近似解析关系。结果表明在采用大孔径成像系统成像时,应该考虑湍流尺度对大气系统成像的作用。     

环形透镜暗场落射照明系统设计及其焦移特性的研究

环形透镜暗场落射照明系统越来越多被应用在特型显微镜上.该系统设计的难点是当采用现有的光学设计CAD软件设计计算时,由于环形透镜所具有的焦移特性的影响,难以保证预期的设计效果,也在一定程度上制约了该系统的推广应用.通过理论分析、实验论证和用自编制的照明设计CAD软件进行光线追迹,较好地确定了该系统的焦移量.并在此基础上提出了照明设计CAD与光学设计CAD软件互动迭代的设计方法.     

机载多尺度广域高分辨率成像系统设计

针对机载光电成像系统的大视场高分辨率成像需求,设计一种基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率光学成像系统,该光学系统包括大尺度共心球透镜和小尺度次级相机阵列,具有结构紧凑的优点。根据共心球透镜所具有的球差和色差特性,并结合小尺度相机对像差进行进一步校正以分割视场,可以实现大视场高分辨率成像。全系统在受力以及高、低温的条件下进行实验,实验结果表明该成像系统具有良好的稳定性,且全视场范围内的调制传递函数值恒接近于系统的衍射极限,弥散斑半径的方均根值小于探测器的像元尺寸,说明该系统的成像效果良好。所提系统可以有效解决传统机载成像系统难以同时满足大视场和高分辨率的问题,为光学成像系统设计提供一种新思路。     

两片式远距结构消热差红外物镜

为解决光学消热差技术镜片多且结构复杂的问题,提出了一种两片式远距结构消热差光学设计方法。该光学系统由前折衍混合正透镜和后负透镜组成,衍射面补偿系统的大部分色差和小部分热差,剩余色差和热差由负透镜平衡。设计了用于非制冷红外探测器的长波红外物镜,焦距为120mm,F数为1.2,远距比为0.9。调制传递函数(MTF)的设计值接近衍射极限,轴上30lp/mm处MTF的实测结果优于0.45,成像质量优良。环境温度实验测试结果表明,-40℃~60℃温度范围内,靶标边缘锐利,无温度离焦。两片式远距结构消热差红外物镜适用于机载或弹载的轻量化光电系统。     

谐衍射双波段红外超光谱探测系统研究

根据谐衍射元件的特殊色散原理及红外波段的窗口特性，将谐衍射透镜应用于红外超光谱探测器中.阐述了利用衍射光学元件色散特性的新型红外双波段超光谱探测成像的基本原理，给出了具体的系统设计实例.设计结果表明，此系统提高了图像的分辨率,增大了接收光能量的能力.在两个波段内同时较好地完成了系统的像差校正，波前差都小于1/4波长.在20线对/mm时, 光学传递函数在这两个波段内的各个变焦位置均达到衍射极限. 关键词： 谐衍射元件 超光谱探测 光学设计     

荧光波长对共焦显微镜成像特性的影响

导出了共焦显微镜中不同荧光波长情况下的荧光功率传输函数、三维脉冲响应函数（3D－PSF）和三维光学传递函数（3D－OTF）。结果表明，不同的荧光波长对共焦显微镜的空间截止频率、分辨率、光学传递函数存在明显的影响。当激发波长与荧光波长的比值下降到一定程度时，可以看到明显的失锥现象。     

Micromachined transmissive scanning confocal microscope

We have developed a miniature scanning confocal microscope that uses electrostatically actuated microlenses for focusing and scanning. Objective lenses, scanners, a pupil, and a pinhole of the confocal microscope are microfabricated and integrated into a volume smaller than 2 mm3 by stacking these components. Objective lenses are composed of two vertically cascaded polymer microlenses integrated into micromachined comb actuators. Raster scanning is implemented by electrostatically actuating each microlens in orthogonal directions. We have demonstrated reflection confocal imaging with 3-microm transverse resolution over a 100-microm field of view and a 0.38-mm working distance at lambda = 633 nm.     

光学传递函数测量仪刀口和狭缝两种扫描方法比较分析

GC 2 11光学传递函数分析仪是北京理工大学光电工程系自行研制的一台能对折轴、潜望等复杂光学系统进行测量的大型精密测量仪。其测量采用了刀口扫描和狭缝扫描两种方式。但实际应用时 ,用刀口扫描方式得到的光学传递函数值总是小于理论值。通过分析计算 ,得出在相同条件下 ,刀口扫描法比狭缝扫描法抗干扰能力差的结论 ,弄清了长期以来刀口扫描测试数值偏小的问题。     

Resolution and contrast in confocal optical scanning microscopes

A theoretical study is made of a simple method of obstructing an amplitude pupil which results in improved microscope resolution with only a little degradation of the image contrast. Using a confocal scanning optical microscope the resultant point spread function is calculated, from which the image of a point object is deduced. The calculations are made for two different apertures — the first has four-fold symmetry and the second has eight-fold symmetry — and are compared with full circular and annular apertures.     

低阶模式校正自适应光学系统的补偿效果分析

引入规格化的相位谱「不一定为科尔莫戈罗夫（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ谱」,推导了大气湍流相位结构函数、低阶模式校正后的残余相位结构函数以及长曝光光学传递函数（ＬＴＦ）。分别给出了在各种不同大气湍流强度ρ０,不同相位谱空间频率的指数下降因子ρ时,大气湍流相位波前低阶模式完全校正后和倾斜部分校正时的长曝光光学传递函数（ＯＴＦ）、长曝光斯特列尔（Ｓｔｒｅｈｌ）比和半高全宽（ＦＷＨＭ）的数值计算结果。     

Improvement of confocal microscope performance by shaped annular beam and heterodyne confocal techniques

In order to further improve the performance of a confocal microscope (CM) used for measurement of surface profiles and 3D microstructures, a shaped annular beam heterodyne confocal measurement method based on annular pupil filter technique and reflection confocal microscopy, is proposed to expand the measurement range and to improve the defocused property of CM. The approach proposed uses a confocal dual-receiving light path arrangement and a heterodyne subtraction of two signals received from detectors with axial offset to enable CM to be used for bipolar absolute measurement and to improve the defocused property of CM, and it uses the annular pupil filter technique to produce a binary optical shaped annular beam, which expands the measurement range by expanding the full-width at half-maximum of intensity curve received from two detectors in a heterodyne confocal microscopy system. Theoretical analyses and experimental results indicate that a shaped annular beam heterodyne microscope has a measurement range expanded from 4 to 14 μm, achieved an axial resolution of 2 nm and improved the defocused property, when ε=0.5 and NA=0.65. It can be therefore concluded that the shaped annular beam heterodyne confocal measuring method proposed is a new approach to ultraprecision measurement of surface profiles and 3D microstructures.     

共焦扫描显微成象的光学断层平面分辨率与信噪比之间的关系

在Fried的一维分辨度理论的基础上,系统地讨论了光学成象系统两维分辨率与信噪比之间的定量关系,并以反射式共焦显微成象为例,建立了实际显微成象系统分辨率的定量计算方法.所得出的结果对于选择共焦扫描显微成象系统的最佳参量及评价所设计的显微成象系统的性能具有重要的意义.     

高精度的光学传递函数计算

直接从基尔霍夫衍射积分理论出发，在数学模型上考虑了瞳面振幅分布的不均匀性和倾斜因子，并采取一系列改进数值计算方法的措施，力求光学传递函数计算的高精度。通过对多个同类软件和多个典型镜头进行比对计算和分析的结果表明，本软件适用于为光学传递函数标准镜头准确定值，也适用于各种大相对孔径和广角光学系统的设计与计算。     

反射式光纤共焦扫描成像的研究

建立了反射式光纤共焦扫描成像系统,分析了光纤－集光透镜参数Ａ及物透镜有效数值孔径等对系统成像分辨率的影响。并在此基础上选择了合适参数的透镜,获得了优化的反射式光纤共焦扫描成像系统,测试结果表明,该系统具有亚微米级横向成像能力,微米级向层析能力,成像稳定性那,它将应用于材料及生物组织三维成像检测中。     

Confocal scanning microscope for nuclear photoemulsion

The application of the confocal scanning microscope to the objects in the nuclear photoemulsion is described. An array of 27 microtomograms of single silver grain is shown. The cross sections of the same particle track of diameter 1 μm, detected by means of the confocal scanning microscope with open and annular apertures, are presented. It was shown that the confocal scanning microscope opens, indeed, new opportunities for the nuclear photoemulsion technique to get previously inaccessible information for the physics of the short-lived particles. The text was submitted by the authors in English.