非球面光学反射镜的装调方法

针对通过胶粘固定的口径为230 mm非球面反射镜的装调要求,选用无像差面型检测法,通过对3个关键过程,即底板与裸镜的粘接,镜框与底板的连接,光学定心加工的实验研究,提出使粘接应力及结构件传导应力变化量达到最小的微应力装校方法,并通过光学定心加工标定出非球面反射镜的光学中心。装调结果表明:对于口径为230 mm的非球面反射镜,微应力装调后面型精度0.02;光学中心偏心量5 m,分划板表面与光轴垂直度误差2.5。     

两镜反射系统自适应装调技术研究北大核心CSCD

为了满足两镜反射系统对光学元件高精度的装调、定位要求,以及系统工程化应用对可靠性与装调效率的要求,提出了一种基于人工神经网络(ANN)的自适应装调技术。基于矢量波像差理论分析两镜系统波像差与失调量的映射关系,在Keras框架下搭建ANN,并以非解析思路构建了自适应装调模型,开发了自适应装调装置,使失调次镜的平移调校精度优于2μm,倾斜调校精度优于2″,解决了算法设计与精度优化、反射镜组微应力固联等技术难题,并对某双抛无焦系统完成了自适应装调验证。试验结果表明:运用该装调技术,两镜反射系统装调后波像差优于λ/16、装调周期大幅缩短、装配可靠性通过环境试验考核,为该技术的工程化应用打下了基础。     

拼接式光学窗口对光学系统影响的分析方法

高速飞行器采用拼接式光学窗口可以减小风阻和雷达波反射,但是会引起入射波前在窗口处被各个拼接玻璃分割,可能会导致光学系统调制传递函数(MTF)降质以及点扩展函数(PSF)的下降和劈裂,严重的情况下会影响系统的分辨率。因此,分析拼接式光学窗口对光学系统的影响对设计采用拼接窗口的光学系统有着重要参考价值。利用Zemax软件构建拼接窗口模型,简化拼接窗口分析过程,得出不同情况下拼接窗口波前分割后的MTF和PSF,结果表明,当被分割的入射光产生特定的光程差时会使MTF和PSF发生严重下降和劈裂,PSF发生严重劈裂的系统会使光学系统成像质量下降。拼接窗口参数的合理选择可以降低这种影响。     

基于像差校正的望远系统装调方法研究

为了保证望远镜装配完成后的成像质量和其他关键指标,提出基于像差校正的望远镜装调方法。首先利用Zemax建立光学系统模型,模拟光学零件失调状态,分析各零件的每种失调状态对各类像差的影响情况,进而定量计算光学零件对系统像差的敏感矩阵,得出系统失调特性,拟定最佳装调方案。在此理论分析的指导下,进行基于星点检验法的装调实验,装调后仪器各项指标达到要求,分辨率优于技术指标要求7.5,验证了基于像差校正的光学系统装调方案的可行性。     

线阵CCD遥感侦察系统中CCD焦平面的光学拼接

本文阐述了CCD图象传感器的焦平面光学拼接的原理、拼接的技术要求以及几种拼接方案的选择,介绍了本拼接方案的特点、检测、装调方法和拼接结果,完成了两片TCD106C线阵CCD传感器的光学拼接。     

离轴卡塞格林光学系统装调技术

介绍了一种离轴卡塞格林光学系统的高精度装配和调整方法。针对离轴抛物面主镜装配难点,通过理论计算及仿真分析,确定粘接形式及粘接面积,利用干涉仪及平面镜实现自准直检测,完成了主镜的微应力装配。结合系统结构特点,通过测量主镜最佳面型,将主镜位置姿态与机械基准建立关系,使主镜光轴与机械基准保持一致。通过分析次镜失调量与系统波相差之间的关系,对次镜进行六个自由度的调整实现系统波相差校正。主镜粘接装配后面型变化小于5%,系统装调后波像差优于0.055λ,均满足了设计指标要求。     

光电设备中球罩的视轴误差研究

光学窗口是光电设备中必不可少的光学元件,对处于大视场成像或全方位扫描工作模式的光电系统,常采用曲面形式的同心球罩作为光学窗口。球罩加工过程中的球心偏差和装配过程中与光电系统入瞳中心的偏差都会对光电系统的视轴角度带来误差。推导了球罩加工、装调误差对光电系统视轴影响的数学表达式,分析了各误差对光电系统视轴的影响,得到了球罩的各误差环节对光电系统视轴影响的规律,对球罩的设计和在光电系统中的使用具有重要的意义。     

化学钢化光学窗口玻璃强度分析与检测

以脆性材料的断裂力学为基础,根据化学钢化光学窗口玻璃表面应力分布状态,分析了化学钢化对光学窗口玻璃强度的影响。将Weibull模型与玻璃微裂纹生长理论相结合,分析并提出了化学钢化光学窗口玻璃的强度检验和寿命预测方法,为化学钢化光学窗口玻璃的强度设计和检验提供指导。     

等离子体诊断用Schwarzschild显微镜的光学设计

 基于三级像差理论设计了用于激光等离子体诊断的极紫外Schwarzschild显微镜光学系统。显微镜的工作波长为18.2 nm,数值孔径为0.1,放大倍数为10。光学设计得到中心视场空间分辨力达0.3 μm,±1 mm视场内分辨力约0.4 μm的结果。分析了Schwarzschild成像系统的物镜装配、系统装调及光学元件加工误差对像质的影响,结果显示光学元件局部面形误差是影响系统成像分辨力的主要因素。通过提高系统装调的精度,可以有效补偿像距误差、两镜间距误差及曲率半径误差对像质的影响。综合考虑实际加工和装调能力,制定了系统整体公差方案,考虑公差后光学系统能够在±1 mm视场内获得3 μm的空间分辨力,达到了等离子体诊断的要求。     

基于夏克-哈特曼传感器的计算机辅助装调方法

夏克哈特曼传感器是自适应光学中应用最广泛的波前传感器,它不仅可以测量大气湍流引起的畸变,还可以测量由风、温度变化和机械应力产生的镜面位置误差引起的像差.基于夏克哈特曼传感器,推导了子孔径斜率与装配误差之间的函数关系,提出了一种基于光学系统失调前后点阵光斑质心偏差信息的计算机辅助装调方法,将装配误差求解问题转换成多目标优化问题,可采用多目标智能优化算法进行求解该问题.以某三反光学系统为例,基于Python和Zemax联合仿真进行模拟装调,仿真结果表明,经三次迭代可将失调误差校正到微米级,这可满足实际装调需求,结果验证了所提方法的正确性.     

基于折射率梯度门限的气动光学窗口光传输研究

基于流场界面厚度（Interfacial—Fluid—Thickness,IFT）理论,建立了高折射率梯度门限模型来研究气动光学窗口光传输畸变。首先在光学窗口折射率梯度场基础上,提出高折射率梯度门限,忽略绝对值低于该门限的折射率梯度值,重构折射率场,并对其气动光学传输效应进行仿真。结果表明,当58．37％的梯度值被忽略时,得到的重构折射率场与原折射率场仿真光程差（OPD）最大相对误差不超过1．5％,验证了气动光学窗口高折射率梯度区域是产生光传输畸变的主要原因,也证实了该门限模型对气动光学窗口光传输效应进行仿真的可行性,对气动光学失真的机理、预测及校正有一定的指导意义。     

采用正弦微窗光栅的位移传感器

研制了一种新型的光栅位移传感器,它采用了一种被作者称为正弦微窗光栅的新元件作为指示光栅,用于消除光栅信号中的高次谐波,所为正弦微穿光栅是一种由许多微小的正弦穿孔排列组成的光栅。介绍了采用光学图形发生器和刻蚀镀膜工艺制造这种光栅的方法。并将制成的正弦微穿光栅用于光栅位移传感器的设计。实验表明,新型传感器能够很好地抑制光栅信号中的高次谐波,可将高次谐波总旧降至基波的２％以下。     

像质检测用光学窗口的温度适应性设计与实验北大核心CSCD

为了在温度变化条件下对光电成像系统进行像质检测与评价,设计一种具有温度自适应功能的光学窗口。分析了温度变化对光学玻璃面形的影响,进行光学窗口的温度适应性光机结构设计,通过有限元分析与实测实验相结合的方法分析了温度变化对光学窗口面形的影响,验证了温度适应性设计的有效性。实验结果表明:常温20℃条件下,光学窗口波像差的PV值和RMS值分别为82.90 nm和6.96 nm;高温50℃条件下,波像差的PV值和RMS值分别为136.68 nm和14.55 nm;低温−40℃条件下,波像差的PV值和RMS值分别为183.51 nm和28.48 nm;高、低温环境下光学窗口的波像差与常温环境下结果对比的数值变化趋势与有限元分析结果具有较好的吻合性;在3种温度条件下光学窗口波像差的PV值均小于或接近(1/4)λ,且由于温度变化引起的光学窗口面形变化很小,设计的光学窗口具有较好的温度适应性。     

Field stitching algorithm for the analysis of electrically large diffractive optical elements

A rigorous electromagnetic algorithm is presented for the analysis of electrically large diffractive optical elements (DOE's), i.e., those that contain small features and have large apertures compared with the wavelength of illumination. The technique uses a finite-sized analysis window within which a rigorous electromagnetic technique is used to solve the local boundary-value problem. To this end the boundary-element and finite-difference time-domain methods are used. The analysis window is translated over the entire surface of the DOE and stitches together the complete solution. We validate the techniques by comparing the stitched boundary fields with those of a complete analysis, in both magnitude and phase, for a binary lens. To illustrate the utility of our method we analyzed an eight-level diffractive lens with a 10, 000-wavelength diameter sampled at 0.05 wavelength that required 8 Mbytes of memory on a desktop personal computer.     

组合式力热动态载荷光学窗口的光学特性研究

针对在一定压差及温度梯度等复合环境下工作的大口径光学窗口,提出了一种由光学玻璃与亚克力板组成的光学窗口组合方案,并以热光学分析为基础,对光学窗口整体强度及热环境进行了理论分析计算,得出光学窗口玻璃最小厚度。利用有限元软件将压力场及轴向温度场映射至三维结构模型,计算得到直径为380 mm的光学窗口在不同玻璃厚度下力热耦合的面形变化及成像质量评价指标,并通过相应的环境性试验对仿真结果进行验证。实验结果表明:以K9光学玻璃为原材料的大口径光学窗口在此工作环境下的厚度不小于32.5 mm;当光学窗口厚度为35 mm时,其所受热力学影响可以忽略。因此,35 mm的大口径组合式光学窗口既能满足强度要求,又能满足多光谱相机成像质量要求,为该类窗口的设计提供了依据。     

Research of a sphere–cone window with good aberration characteristic

Optical windows with external surfaces that shaped to satisfy operational environment needs are known as special windows. A novel special window, sphere–cone (SC) window, is presented. The equations used to decide geometrical parameters of this window are deduced. A SC MgF₂ window with a fineness ratio (F) of 1.33 is designed as an example. The field-of-regard (FOR) angle is ±80°. From the window system simulation results by the calculated fluid dynamics (CFD) and optical design software, we find that the SCP shape compared to conventional window forms not only introduces relatively less drag in the airflow, but also makes the minimal effect to imaging. After a correcting lens is adopted in the SC window optical system, the lowest modulation transfer function (MTF) value at 17 Lp/mm reaches 0.610 and the root-mean-square (RMS) spot size is approximately 1.57–2.12 times than the diffraction limit. The design results show that the SC window optical systems can achieve high image quality across very wide FOR by the simplest static correction.     

高空高速航空相机光学窗口的热光学分析

分析航空相机光学窗口的热光学特性,选定熔石英作为窗口玻璃的材料,将热流密度加权分配到窗口外表面各个区域,并考虑整个窗口玻璃的辐射来计算其在一个工作循环内的温度分布。高空高速飞行时,气动热使窗口外表面的温度急剧上升,由于熔石英的导热率很小,窗口产生很大的轴向温差,分别取轴向温差55℃,70℃和90℃时的工况计算窗口热变形;光学窗口内、外表面的变形规律为近似球面,计算了其近似曲率半径,计算由面形变化和折射率变化引起的光程差并转化为Zernike多项式;将Zernike多项式系数带入Code V中考核窗口玻璃的光学性能,得到波像差变化量,其像面离焦量为-0.114mm,调制传递函数的下降最大值小于0.01。结果表明,光学窗口满足光学性能的要求。     

基于ZEMAX的手机摄像镜头设计

在光学工程软件ZEMAX的辅助下,配套采用像元大小为1.75μm的CMOS图像传感器,设计了一款500万像素的手机镜头,镜头视场角60°,F/#2.8,半像高2.87 mm,镜头总长为6 mm,镜头为3P1G结构,第1、3、4片镜片采用非球面塑料,第2片镜片采用球面透镜。各个视场的横向像差均小于20μm,均方根半径(RMS Radius)都在艾利斑之内,在1/2奈奎斯特频率处绝大部分视场MTF值都大于0.6,可以获得优质的成像效果。     

多基准轴透射式系统装调方法

星载光谱仪可获取空间连续分布的光谱数据,广泛应用于陆地植被和海洋环境探测。为了校正系统的畸变,采用离轴透射式成像透镜设计,系统存在3个光轴,光轴之间夹角达到0.606°,偏心量达到0.279 mm,传统的装调方法不能解决此问题。利用计算机辅助装调技术得出系统的敏感度分析结果,提出了一种新型多基准轴定心装调方法。通过结构预置偏心和倾斜的方法构建基准轴,采用光学平板实现基准轴引出,将复杂的多光轴系统装调分解成单光轴子系统装调,完成了光谱仪多光轴透射系统装调。测试结果表明:透镜偏心误差小于25.4 μm,倾斜误差小于17.7″,畸变装调结果和理论值偏差小于0.32 μm,为离轴折射镜头的装调提供了一种新的思路。     

Influence of a skull cranial window on the measurement of haemoglobin concentration in cortical tissue by multi-spectral imaging analysis

The simplified cranial window, which is transparent thinned skull, has been used for the optical imaging of cortical tissue of small animals to measure the concentration change in haemoglobin as an intrinsic signal of brain activation. The multi-spectral images of the cortical tissue of guinea pigs through the skull cranial window were compared with those of the exposed cortex to evaluate the influence of the scattering and absorption properties of the skull on the measurement of the concentration change in haemoglobin. Although skull thickness affects the sensitivity of the optical signal due to a decrease in mean optical path length in the cortical tissue, the influence of the skull cranial window on the wavelength dependence of optical path length can be ignored when the skull thickness is less than approximately 100 mm. Accurate concentration changes in oxygenated and deoxygenated haemoglobins can be calculated from the optical signal measured through a skull cranial window and the wavelength dependence of optical path length for the exposed cortex.