基于二维振镜的多光谱集成靶标设计及应用

为了提高基于二维振镜光轴平行性检测方法的检测精度,简化测量操作步骤,设计了一种基于二维振镜扫描系统的多光谱集成靶标。通过多光谱集成靶板与LED照明光源结合,解决一靶专用中需要频繁更换、反复调校靶板及光源的问题。利用二维振镜进行十字分划中心对准,提高CCD检测方法的测量精度;采用像差优化的卡塞格林准直系统,改善十字分划成像质量。通过光轴平行性检测实验,多光谱集成靶标校准精度达到了0.10 mard,该精度满足多光谱光电系统光轴平行性高精度和自动化检测的要求。     

多光谱共孔径无穷远目标器设计

为实现场外车载光电跟踪仪的各光轴一致性检校,提出一种利用多光谱共孔径无穷远目标器、转光管和移动机构来实现对各光轴检校的方法,并对目标器进行了光学设计和总体结构设计,对影响检校的主要误差进行了分析。目标器总体尺寸为750 mm×120 mm×100 mm,采用离轴双曲面反射式光学系统,焦距为1 200 mm,孔径为50 mm,视场2°,分划板采用ZnS材料,光源采用溴钨灯,利用Zemax光学设计软件优化系统,实现焦面最大弥散斑为RMS 35.766 μm, 在空间频率5 lp/mm处,OTF均高于0.3,各项指标满足检校要求。     

空间旋转多光轴平行性校准技术

空间旋转多光轴系统光轴平行性影响系统指向精度且校准难度高、耗时。基于空间旋转多光轴系统光轴校准原理,获得了校准理论模型;结合实验研究,建立了高精度光轴校准方案;以机械回转轴为基准,粗调准和精调准结合,以调整传感器安装面为粗调,借助双光楔实现光学量级的精校准;先校正可见光光轴与机械回转轴的平行性,再保证激光光轴与机械回转轴的平行性,最终保证可见光光轴与激光光轴的平行性。试验结果表明,该校准方案精度高,指标优于0.1 mrad,可用于实际工程装调。     

室内多波段光轴一致性测试系统的设计

介绍用于室内检测多波段光电设备光轴一致性的测试系统。该系统采用准直平行光管为测试系统提供无穷远目标。为满足全波段测试，光束无中心遮拦，系统选用离轴抛物面全反射光学系统。采用多光谱分光镜为激光光斑提供瞄准基准，带温控热十字丝的高斯目镜为红外和可见光波段提供瞄准基准，实现了光电设备之间可见与红外、可见与激光、激光与红外光轴的一致性测试。系统具有测试精度高、测试结果可靠等特点。根据初步估算，可见与红外、可见与激光、红外与激光之间的光轴一致性测试精度分别达到了4.01″， 1.08″和 4.05″的水平。该系统有效解决了多波段光测设备光轴间的一致性测试问题。     

多光谱多光轴自动校准技术

分析了具有红外、电视和激光的光电仪器进行多光谱多光轴自动校准的方法.指出在武器系统的设计中,如果条件允许,可在光电仪器的后方设置一个校准棱镜箱(或折反式自准凹面镜组件),以便在控制电路中加入电十字线跟踪产生器等功能单元,使武器系统实现行进间或飞行中自动校准.     

二维振镜扫描系统调向误差分析

对比分析现有光束扫描系统的优劣,提出采用二维振镜扫描系统作为多光谱集成靶标的光轴调向装置,光轴调向装置的调向精度影响多光谱集成靶标的校准精度。通过对二维振镜扫描系统调向误差进行分析,建立二维振镜扫描系统调向模型,并进行了二维振镜扫描系统调向误差测量实验。结果表明:二维振镜扫描系统的方位角误差和俯仰角误差小于8″,调向角误差小于9″,调向误差小于10″,能够满足多光谱集成靶标光轴调向精度要求。     

大间距多光轴一致性野外在线检测方法

为满足现代复合光电系统多光轴一致性的在线检测需求,提出一种基于光学自动瞄准和惯性测量的大间距多光轴夹角测量方法。利用惯性传感器提供一个准确且可移动的基准坐标系,瞄准被测光轴并测量其在基准坐标系中的单位向量坐标,再由向量坐标计算光轴夹角,以此检测光轴一致性。构建了测量系统的原理样机,并采用蒙特卡罗法对其测量不确定度进行评定。对复合光电系统中激光测距机与红外热像仪的光轴一致性进行实际检测,实验结果表明,激光发射轴与瞄准轴的一致性测量误差为24.4″,红外热像仪光轴与瞄准轴的一致性测量误差为27.0″。采用移动测量的方式,扩大了测量范围、提高了测量效率,为野外环境下大间距多光轴一致性在线检测提供了一种有效的手段。     

用于激光接收/目视瞄准镜的共光路光学系统设计

为实现多传感器光轴校准并达到小型化轻量化的设计要求,将目视瞄准镜作为校轴光学基准,采用共用摄远型物镜组,并利用在立方棱镜斜面镀制光谱分光膜,实现高精度目视瞄准镜与激光接收的共光路系统设计。该目视瞄准镜放大倍率为7×、视场为5°、出瞳直径为3.7 mm、出瞳距离不小于20 mm;激光接收系统视场为1 mrad、接收口径为50 mm,设计结果满足指标要求。     

大尺度多光谱多光轴平行性检校系统

为对室内不拆装情况下大型或整车上的多谱段光电装备进行光轴平行性检校,设计了大尺度多光谱多光轴平行性检校系统。系统采用一个多光谱平行光管提供多个谱段的无限远目标,通过二维移动平台实现平行光管的室内大跨度移动。利用倾角传感器、双线阵CCD测量系统和姿态调整机构来恢复和保证平行光管移动前后的光轴平行性,实现室内分布在车体上不同轴距不同谱段光电装备的光轴平行性进行统一检校。系统设计方案和误差分析结果表明:该系统平行光管移动前后的光轴平行性总误差小于0.142 mrad,在提高检校精度的同时还大大减小了光轴平行性检校的工作量;各分系统中倾角传感器和姿态调整机构误差对系统总误差贡献最大,通过选用更高精度的分系统还可进一步提高系统的总体精度,满足更高精度装备的光轴平行性检校要求。     

具有视频输出的多光轴光学系统平行校正仪设计

设计了用于测量输出为视频图像信号的多光轴光学系统的光轴平行度校正仪器。测量仪器所采用的形心不变原理,介绍了测量电路的设计方法。仪器可定量测量和校准多光轴视频系统光学仪器的光轴平行度,经实验检验,仪器具有较高的测量精度。     

实现均匀照明的自由曲面反射器

通过单个自由曲面反射器的反射,令光源发出的能量重新分布,在特定照明面上实现所需照明,从而简化了投影设备中的照明系统,使设备的进一步小型化成为可能。根据给出的光源辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,可得到一组偏微分方程,数值差分求解直接得到自由曲面反射器。光源采用发光面积1 mm×1 mm朗伯体发光的LED,视角为120°,照明面为4:3的均匀矩形光斑。设计了两种自由曲面反射器,并用软件对得到的曲面进行了照明模拟,模拟得到的照明均匀性接近90%。两种反射器在光轴方向上的投影尺寸均小于25 mm,垂直光轴方向上投影长度均小于22 mm,照明系统总长均小于40 mm,结构紧凑,适用于小型LED投影设备。     

近红外成像光学系统设计

为了明确近红外成像光学系统对杂散光的抑制能力,设计了一个光谱为0.75 m ~1 m,焦距12.002 mm,F/1.8,视场1515的光学系统,其结构为改进型的双高斯结构。实验结果表明:设计的光学系统的各视场光斑在艾瑞斑内,焦移量最大为4.9 m,球差约为1 m,垂轴像差最大为3 m,MTF接近衍射极限。对设计的光学系统进行了杂散光评估和杂散光抑制,得到了杂散光抑制前后的点源透射比。分析结果表明:与未加遮光罩相比,加入遮光罩的光学系统PST值下降了76.6%~87.5%。     

Optical performance of a versatile illumination system for high divergence LED sources

An efficient flat-top illuminating optical system optimized for an extended light source is presented. The source is a high-brightness high divergence light emitting diode (LED), sized 1 mm × 1 mm, producing monochromatic emission (525 ± 5 nm) with viewing angle of 130°. The design is based on a rotationally symmetrical catadioptric system, developed on a geometrical optics basis, and modelled with ZEMAX^® software. The device consists of two optical systems: (i) a collimating system which, in turn, is formed by an aspheric lenses system (low numerical apertures, NA < 0.26) and two-mirror system (0.26 < NA < 0.86), and (ii) an external mirror (NA > 0.86) designed and optimized for each purpose. By itself, the collimating system works with a residual divergence of θ_C = 1.46°. The external mirror can be adequately designed to produce some given conditions. For instance, a flat-top profile is obtained in the selected focusing plane, with a maximum transversal intensity variation of 2.5% over 18 mm. In addition, when the focusing mirror is allowed to move along the optical axis in a ±1 mm range, other interesting profiles can be reached for a given working distance, therefore increasing the versatility of the system.     

球面阵列LED太阳模拟器光学系统设计

针对氙灯太阳模拟器光电转换效率低、寿命短、辐照强度低,均匀性差等不足,基于LED太阳模拟器光学系统,提出了一种球面阵列LED太阳模拟器光学系统,包括准直光学系统、匀光系统以及光源系统的设计方法。利用同轴透射式光学系统技术设计了双分离结构的准直光学系统, 在分析比较常用匀光系统的性能与组成形式的基础上,阐述积分器与视场光阑的设计过程, 然后基于球面光源的设计思想完成光源系统的设计, 利用LightTools光学设计软件对LED太阳模拟器光学系统进行仿真分析与验证。实验结果表明:球面阵列LED太阳模拟器在工作距离100 mm,输出辐照面积为100 mm×100 mm范围内,其辐照强度大于1 100 W/m2,辐照不均匀度优于3.86%。     

多光谱光学系统光轴平行性组合测试装置

介绍一种激光、白光和热像仪(或微光)三光合一观测仪器的捆绑式新型组合测试装置及其测试原理，并详细叙述了用该装置测试“三光”光轴平行性的过程和注意事项。该装置十字分划线的设计未采用常规的玻璃刻线工艺，而是选取电阻率较高的钨丝制成十字分划线，并在分划线的两端焊上电极，避免了测试时由于更换十字分划线靶标而可能产生的误差。该装置通过对观测仪器光轴平行性的检测和调试，为精确调校提供了依据，从而使3种光学系统的光轴平行性达到所需精度要求，对保证观瞄及测距的方向一致性起到了准确指示的作用。     

太阳能槽式系统反射镜玻璃厚度对聚光特性的影响

针对太阳能槽式系统反射镜玻璃厚度对聚光特性的影响进行了理论、模拟和实验研究。研究结果表明,平行光下反射镜玻璃越厚,入射光线距光轴距离越远,ΔX、ΔY越大。对焦距为1200 mm,反射镜玻璃折射率为1.6的槽式系统进行了理论计算,玻璃厚度为1 mm的反射镜,当距光轴距离为200 mm和2000 mm时,ΔX为0.03 mm和1.69 mm,ΔY为0.19 mm和0.31 mm;当距光轴距离仍为2000 mm时,玻璃厚度为5 mm的反射镜,ΔX为8.41 mm,ΔY为1.55 mm。通过TracePro模拟以及实际实验测量,结果与理论计算相符。     

多色分图层激光扫描自聚焦投影技术

为了突破常规激光投影仪由于单一波长的局限性造成应用场景的限制,同时实现对不同零件、不同材料、不同装配工艺的分图层投影,设计并搭建了多色分图层激光扫描自聚焦投影系统。系统采用2种波长的激光作为光源,根据二向色镜的位置不同,提出了多色共光轴和分光路2种激光扫描自聚焦投影方案,并推导了相应的光学系统数学模型。通过系统的自聚焦功能调节镜组间距,均可以实现在不同距离的投影面上聚焦出不同颜色的最小光斑。利用ZEMAX光学设计软件对2种投影光学系统进行仿真,并从系统可靠性和投影效果上对2种系统进行比较分析。实验结果表明：在3 m处的投影面上,共光轴系统各种波长的光斑直径均在0.8 mm以内,且光斑大小均匀,可以实现多色分图层的扫描自聚焦投影功能。     

半导体激光耦合新方法

提出了一种脱离国外模式的半导体激光耦合新方法,使用该方法既可以直接将半导体激光耦合成亮度均匀、光束参数积（BPP）值在两个方向相等的方形光斑,也可和光纤耦合得到一个圆形光斑,且只用球面镜和柱面镜两种光学元件,不需采用国外方法中用到的其它类型微光纤元件。将系统的出瞳作为光斑来解决亮度均匀分布问题;通过消除光源间隔对BPP值的影响来减小慢轴的BPP值;利用点光源的特点使快轴和慢轴的BPP值相等。采用该方法设计了各种要求和规格的半导体激光耦合光学系统,如本文设计实例中的参数为：巴条上的光源数为19个,巴条数为21个,故光源总数为399个。得到的方形光斑尺寸为0.6 mm×0.6 mm,NA值为0.22。此外,和直径为1 mm光纤耦合还得到了一圆形光斑。与国外方法比较,该方法结构简单,工艺要求低,更适用于高功率、低BPP值的半导体激光器。     

一种多通道光电系统视轴平行度调校装置

为了获得红外、可见光及微光等不同波段靶标的图像,提出一种多通道光电系统视轴平行度调校装置。该装置能够方便地加载多通道光电探测系统,主要通过下底板的腰形孔间隙及垫修下底板来实现光电探测系统视轴平行度方位及俯仰方向的调校,使其视轴平行度达到15;该装置只需首次调整光学系统的视轴平行度,光电探测系统重复更换镜头后重复定位精度优于0.01 mm。同时装置可方便地加载于光电转台等其他设备上,便于外场试验,满足使用要求。