光学测试 光学元件测试与设备

TN214 2005032232 红外光学透镜焦距测量=Focal length measurement of in- frared lenses[刊,中]／陈磊(南京理工大学电子工程与光电 技术学院.江苏,南京(210094)),高志山…∥光子学报.- 2004,33(8).-987-988 采用CO2激光器作为光源,热释电摄像机作为探测 器,采集了单缝衍射图像。根据单缝衍射原理,测量了不 同焦距的一组红外光学锗透镜的单色焦距,给出了实测结 果。讨论了影响测试的主要误差因素。通过计算采样数 据的调制传递函数,精确确定被测透镜焦平面的位置。介 绍了图像采集系统长度尺寸的精确标定方法。图2表1     

基于Talbot-Moiré法测量透镜焦距的莫尔条纹的图像处理

利用Ronchi光栅的Talbot效应和Moiré条纹测量了长焦透镜焦距,并根据焦距与莫尔条纹斜率之间的定量关系可求得透镜焦距.为获得条纹斜率,用CCD采集莫尔条纹图像后,利用数学形态学滤波方法进行图像滤波平滑等预处理,有效地增强了图像的对比度.通过二值化、细化获得单像素宽连通的条纹,通过对条纹进行标记,为条纹斜率的直线拟合计算提供了可靠的数据,采用这些数据计算的焦距的误差为0.10%.     

基于Talbot-Moiré法测量透镜焦距的莫尔条纹的图像处理

利用Ronchi光栅的Talbot效应和Moiré条纹测量了长焦透镜焦距,并根据焦距与莫尔条纹斜率之间的定量关系可求得透镜焦距.为获得条纹斜率,用CCD采集莫尔条纹图像后,利用数学形态学滤波方法进行图像滤波平滑等预处理,有效地增强了图像的对比度.通过二值化、细化获得单像素宽连通的条纹,通过对条纹进行标记,为条纹斜率的直线拟合计算提供了可靠的数据,采用这些数据计算的焦距的误差为0.10%.     

基于液晶分划和数字图像处理的正透镜焦距测量研究

讨论了一种基于LCD、CCD和数字图像处理的正透镜焦距测量方法 ,是光电法自动化测量光学系统多个参数的一种有益的探讨。用液晶屏显示分划图形取代平行光管的分划板 ,用CCD在接收方采集数字图像并送入计算机 ,通过图像处理和分析得出被测透镜的焦距。运用叠加的方法提高图像的信噪比 ;结合重心法和平行线拟合方法求取平行线对的间距 ;应用高精度焦距标准透镜标定数字图像和实际像之间的比例关系。详细介绍了测量和图像处理的方法 ,进行了公式推导和误差分析 ,并给出了实验结果     

基于哈特曼-夏克波前测量原理的焦距测量

本文从哈特曼-夏克波前测量原理出发,提出了基于波前测量的透镜焦距测量方法;得到了使用这一方法测量焦距的计算公式.使用633 nm和780 nm两种波长的半导体准直激光器作为光源,测量了三片双合透镜的焦距,结果表明,633 nm光源下测量得到的波长与透镜的设计焦距值相吻合,能够正确测量透镜焦距;而780 nm光源的测量结...     

多焦距微透镜阵列光场成像火焰三维温度场测量

多焦距微透镜阵列可提高聚焦光场相机的深度分辨率。为了研究多焦距微透镜阵列对光场成像火焰三维温度场测量的影响,本文在火焰辐射光场成像模型的基础上,分析了单焦距微透镜阵列和多焦距微透镜阵列的火焰辐射光场成像特征,计算了两种不同微透镜阵列下的火焰辐射图像,根据火焰光场图像重建了火焰的三维温度场。开展了多焦距微透镜阵列聚焦光场相机火焰三维温度场重建的实验研究,并对数值计算和实验结果进行了分析。     

基于两步成像的单缝衍射自动测量

建立基于两步成像的单缝衍射自动测量系统,用CCD连续采集成像于旋转白屏的单缝衍射图像,通过衍射图像的平均消除激光散斑的影响;通过分别对零级和非零级条纹成像,解决CCD动态范围较小的问题;用图像处理方法进行条纹水平矫正、极小值位置自动判读,实现单缝宽度自动测量功能.用此系统进行了单缝衍射条纹光强分布及单缝宽度的自动测量实验,相对偏差在2%以内.     

基于Talbot-Moiré法的长焦透镜焦距

 长焦距测量的Talbot Moiré法是研究热点,目前很多方法虽然都是基于Talbot现象和Moiré技术,但基本原理和实验方案各不相同,因此焦距计算公式也不相同。基于透镜位相变换作用,利用Talbot效应和Moiré条纹,通过图像处理的方法获得条纹的斜率变化,根据焦距与莫尔条纹斜率之间的关系求得透镜焦距。由于长焦透镜的焦距相对于被测透镜厚度大得多,完全可以看作是薄透镜对光束的变换,可用薄透镜对球面波的变换作用来近似表示其对高斯光束的变换。因此,该方法测量长焦透镜焦距对于高斯光束与非高斯光束焦距测量结果无差别,均适用。最后全面分析了该测量方法的误差及精度极限。在影响测量精度的各个误差因素中,光栅节距误差对焦距测量的影响最为显著。     

反射型变周期光栅透镜的性能研究

本文首先对各种集成光学透镜作了介绍,并对它们的优缺点进行了比较。 其次,本文对反射型变周期光栅透镜(RCGL)的原理和设计给予了详细的讨论,而且对RCGL的衍射效率和焦斑性质在理论上进行了较为彻底的研究。理论表明。RCGL的性能因光栅齿形和齿高的不同而不同,其中,以锯齿形齿的RCGL效果最好。无论何种齿形RCGL,如果齿高不理想,可失去聚焦效应。 我们制作了适用于扩Ti:LiN_bO₃波导的RGGL,它是以Si片为衬底,焦距为15mm,光栅面积为1.5mm×1.5mm。 实验结果表明:所制作的RCGL效果良好,衍射效率为14.4%,焦斑宽度(-3dB)为11μm,焦距值与设计符合良好。     

多焦距光学系统的小型化设计

提出了一种多焦距短筒功率谱采集透镜(PSCL)系统设计方案，系统由前组透镜、后组透镜和4倍透镜组组成。F500傅里叶透镜作为前组透镜固定，加后组透镜，实现焦距F500至F800或F1000的切换。在F500或F1000系统后增加4倍透镜组，实现F2000或F4000的光学系统。设计结果表明，该方案缩短了透镜系统筒长，且像质良好。该透镜系统适用于多种焦距值切换的光学系统和仪器的小型化。     

Rigorous model of multiwave exposure in optical lithography

A theoretical model of contactless optical lithography with simultaneous participation of several different light waves one of which is incident along the normal to the exposure mask and the remaining are incident obliquely and symmetrically on both sides is considered. The model is based on rigorous solution of the problem of diffraction of a plane optical wave for a simplified 2D diffraction structure consisting of a perfectly conducting finite-thickness screen with a single slot (mask) and a semi-infinite absorbing dielectric located behind the screen (photoresist). The total diffraction field arising in this medium as a result of super-position of different diffraction fields generated by differently directed waves incident on the screen with a slot is analyzed. The quality of reproduction of the optical image of the slot is evaluated using several integrated parameters introduced by the authors earlier. An important case of nanolithography is considered, when the slot width, the screen thickness, and the distance to the medium are on the order of the illumination wavelength. It is found that the optimal value of the slot image quality in this case is attained for two-wave and three-wave regimes of exposure for identical initial phases of incident waves and for angles of incidence of lateral waves from 10° to 20°.     

镜像光衍射技术及其在测量中的应用

对光衍射技术提出了一种新方法,即在衍射缝后引入反射形成镜像,用以改变衍射条纹的光强分布,这种方法可提高测量精度,加大动态范围,改善因缝不理想所形成的场分布,还对参数的选取进行了讨论。     

Monolithic integration technique for microlens arrays with infrared focal plane arrays

Based on scalar diffraction theory, 8-phase-level 256×290 element diffractive microlens arrays with lenslet dimension of 50×33 μm² have been fabricated on the back side of PtSi infrared focal plane arrays. The design and fabrication process are discussed. The measurement results indicate that the imaging quality has been greatly improved and the ratio of the signal-to-noise of the infrared focal plane array integration with microlens array is increased by a factor of 2.5.     

A compressed sensing approach for enhancing infrared imaging resolution

This paper presents a novel approach for improving infrared imaging resolution by the use of Compressed Sensing (CS). Instead of sensing raw pixel data, the image sensor measures the compressed samples of the observed image through a coded aperture mask placed on the focal plane of the optical system, and then the image reconstruction can be conducted from these samples using an optimal algorithm. The resolution is determined by the size of the coded aperture mask other than that of the focal plane array (FPA). The attainable quality of the reconstructed image strongly depends on the choice of the coded aperture mode. Based on the framework of CS, we carefully design an optimum mask pattern and use a multiplexing scheme to achieve multiple samples. The gradient projection for sparse reconstruction (GPSR) algorithm is employed to recover the image. The mask radiation effect is discussed by theoretical analyses and numerical simulations. Experimental results are presented to show that the proposed method enhances infrared imaging resolution significantly and ensures imaging quality.     

大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统设计

根据目前搜索和跟踪系统要求其红外成像光学系统具有高成像质量、超轻小型化和高温度适应性的特点。采用折反射式光学系统结构形式,基于J-T制冷型320×320凝视焦平面阵列探测器,设计了一种大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统,光学系统远摄比达到0.6。采用光学被动消热差方法进行设计,使该系统在-40℃～60℃温度范围内实现了无热化。同时采用杂散辐射分析软件对系统进行杂散辐射分析,提出合理杂辐射抑制方案,给出了完整的光学系统设计。结果表明,光学系统在不同温度环境下所有视场的调制传递函数(MTF)(17lp/mm)均接近衍射极限,80%的能量集中在1个像元内,且具有结构紧凑、体积小等优点,可满足搜索和跟踪红外光学系统的使用要求。     

基于联合变换相关器的远红外变焦光学系统设计

为了提高联合变换相关器跟踪和识别目标的能力,且满足坦克瞄准镜的工作要求,针对1英寸红外CCD探测器,设计了8～12 μm波段折射式长波红外连续变焦系统.该系统采用机械补偿的方式,变焦过程中相对孔径不变,F数为2,变倍比为4:1,在50～200 mm范围内可实现连续变焦,且变倍曲线和补偿曲线平滑,扩大了坦克瞄准镜的搜索范围.用ZEMAX光学设计软件对设计结果进行像质评价,结果表明,在17 lp/mm空间频率处,全焦距范围内调制传递函数均在0.53以上,接近衍射极限,像面稳定性良好,满足光学系统的设计要求.     

基于固定校正镜的折衍共形光学系统设计

设计了一个大扫描视场的折衍混合红外共形光学系统,共形成像系统工作波段为3.7～4.8 m,相对孔径为1/2,焦距为120 mm,扫描视场为40。由于共形光学系统具有大偏心、大倾斜光学特性,像差校正难度较大,设计中采用固定校正镜和折衍混合混合结构校正了共形光学元件的像差,引入了非球面和衍射面有效消除了各个扫描视场的像差。设计结果表明:光学系统光阑与探测器冷光阑重合,满足100%冷光阑效率。在40扫描视场范围内,共形光学系统的光学传递函数曲线接近衍射极限,成像良好。     

Analysis of the features and reconstruction of a high resolution infrared image based on a multi-aperture imaging system

Infrared images of good quality are strictly important for such applications as targets detection, tracking and identifying. Traditional single aperture infrared imaging system brings in some defects for its imaging scheme. Multi-aperture imaging system shows promising characteristic of improving image quality and reducing size of optical instruments. We reconstruct a high resolution infrared image from the low resolution sub-images collected by the compact multi-aperture imaging system. A novel reconstruction method called pixels closely arrange (PCA) is proposed based on analyzing the compound eye imaging process, and this method is verified in a simulated 3D infrared scene to capture sub-images. An evaluation of the reconstructed image quality is presented to discuss the significant factors that affect the final result. Experimental results show that the PCA method can be efficiently applied to the multi-aperture infrared imaging system as long as the structure of the micro-lens array is specifically designed to be adaptive to the infrared focal plane array (IFPA).     

高分辨率红外导引头光学系统小型化设计

 设计一种高分辨率中波红外成像制导光学系统。采用折射一次成像的结构形式,初始结构为远摄型物镜组。所设计的系统共用3个光学元件,通过引入非球面和二元光学衍射元件,增加光学设计的自由度,全视场达到10°,系统总长为49 mm,焦距为70 mm。并且系统在-40℃~60℃温度范围内具有良好的消热差作用,成像质量接近衍射极限,最大弥散斑直径小于15 μm。适用于像元数为640×512,像元尺寸为15 μm,F数为2的红外焦平面探测器。系统具有成像分辨率高、视场大且体积小等优点,可用于小型红外导引头中。     

光学补偿式红外高变倍比步进变焦光学系统的设计

 根据光学补偿变焦距理论,基于红外中波制冷型320×240焦平面探测器,设计了31×光学补偿式红外步进变焦光学系统。该光学系统工作波长范围为3 μm～5 μm,光学系统的F#和探测器相匹配,恒定为4,冷屏效率100%,焦距范围430 mm~12.867 mm。采用3种光学材料和非球面对光学系统进行优化设计,对7个视场严格校正了像差,各个视场的MTF曲线均接近衍射极限,获得了良好的像质。