温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响

为研究温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响,分析了温度变化对光谱仪中准直镜头、成像镜头以及干涉仪组件各光学系统组成部分性能参数的变化关系,建立了温度对光谱仪谱线漂移影响的模型,通过软件仿真和热光学实验对理论模型进行了验证。结果表明,良好的镜头光学设计方案可有效避免星载环境下温度对镜头组件光学性能的影响,干涉仪组件温度变化会使系统基频变化直接导致光谱谱线的漂移,同时温差过大会对光谱仪光谱分辨率产生影响,使光谱谱线发生变形。针对星载空间外差干涉型光谱仪中干涉仪组件的温控条件,应依据基频、结合光谱分辨率和带宽等性能指标提出严格的温控范围。     

变焦结构光成像系统的光学设计

为了实现快速低成本改变光学系统焦距,设计了基于液体透镜的变焦结构光三维成像镜头和微透镜阵列。系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构, F#为3.2,全视场大小为10 mm,总长180 mm,焦距变化范围54 mm~61 mm。结果表明:该系统能实现投影距离227 mm~256 mm调节,调焦过程中目标表面清晰,细节分辨率高,系统在整个变焦区域内,在40 lp/mm时,全视场MTF优于0.2,系统场曲小于0.2,畸变小于0.2%。柱面微透镜阵列整体尺寸为10 mm×10 mm,周期宽度为1 mm,厚度为1 mm。随着投影距离的增长,光学系统成像质量先上升后下降,在237 mm处成像质量最优,随着投影距离的增加,光学系统的放大倍率增大,光学系统整体相对照度不均匀性小于0.2。     

基于大面阵CCD的复消色差航空相机物镜设计

为了满足航空相机物镜结构简单及高分辨率的要求,提出了一种基于波差法校正长焦距、宽波段的大面阵CCD航空相机物镜二级光谱的方法.介绍了二级光谱的基本原理,给出了波差法设计复消色差物镜的方程组.采用普通光学材料设计了复消色差航空相机物镜,系统焦距为400 mm,相对孔径为F/4,工作波段为420～850 nm.给出了光学系统图、纵向像差图及调制传递函数图.设计结果表明,采用该方法设计的航空相机物镜在60 lp/mm处各视场传递函数均在0.75以上,满足接收器件有效尺寸为36 mm×48 mm的大面阵CCD成像要求.     

轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术

传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒.本文提出一种轴平面(XZ平面)GerchbergSaxton迭代算法来产生沿轴向分布的多光阱阵列,将轴平面成像技术与光镊结合,实现了沿轴向对二氧化硅微球的多光阱同时捕获与实时观测.通过视频分析法测量了多个二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,并标定了光阱刚度.本文提出的轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术为光学微操纵提供了一个新的观测视角和操纵方法,为生物医学、物理学等相关领域研究提供了一种新的技术手段.     

宽覆盖高分辨率机载相机光学系统设计

针对机载相机广域高效航拍作业需求,采用新型级联光学成像结构,设计了一种宽覆盖高分辨率机载相机光学系统。该系统由对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列组成,对称前置同心物镜获取剩余像差均匀的宽视场曲面像,中继转像透镜阵列对该曲面像进行视场细分、剩余像差校正及中继成像。所设计的机载相机光学系统焦距为60 mm、F数为3.4、视场角可达132°。基于一阶理论和像差特性,在不同飞行高度对地观测时,研究了机载相机光学系统的成像质量与宽视场曲面像的关系,获得系统在不同飞行高度实现清晰成像的方法。通过像质评价,结果表明,优化设计的系统在低空、中空及高空进行对地观测时,像面光线追迹点列图方均根半径均优于1.6μm,在奈奎斯特频率为230 lp/mm处,调制传递函数均达0.4,系统成像性能优异且像质均匀。新型级联光学成像系统适用于不同飞行高度的机载相机。     

光场多光谱相机像方远心镜头光学设计

光场多光谱成像技术具有能够同时获取目标二维空间信息和光谱信息的能力，利用光谱信息可以实现目标的分类和识别。为了快速、便捷地获取空间目标的完整光谱信息，实现目标表面光谱信息的真实记录，基于光场多光谱成像原理，采用光谱分光滤光片阵列分光实现主透镜系统入瞳孔径的分割，设计了一款应用于光场多光谱相机的像方远心镜头光学系统。光学系统具有宽波段400 nm~1 000 nm，焦距为240 mm，F数为4，全视场15.52°。像质评价与系统公差分析结果表明:设计的光场多光谱相机的像方远心镜头可以满足实际加工以及正常使用要求。     

Design and fabrication of fluid controlled dynamic optical lens system

A novel small fluid controlled optical lens system that is capable of displaying dynamic variation of its focal length and field-of-view (FOV) is designed and fabricated. In this active lens system, appropriate volume of the optical fluid can be pumped into or out of the lens chamber to provide double-convex (DCX) or double-concave (DCV) lens effect. Simple optical imaging experiments were performed using different sets of glass lenses with fixed focal lengths to determine the optimum lens configuration required for designing a dynamic optical lens system. The experimental results obtained from the glass lenses demonstrate that a combination of a single DCX lens with three DCV lenses provides a wider FOV. The flexible membranes for fluid controlled lenses were fabricated using polydimethylsiloxane polymer material, which has good optical transparency and elasticity. A simple fluid injection system is used to vary the radius of curvature of the lenses, and thereby to change the focal length. A dynamic optical lens system with a combination of one DCX and multiple variable focal length DCV lenses as designed here can image an object with a wide range of focal length and FOV. With this fluid controlled optical system, the FOV and focal length could be continuously varied and a maximum FOV of 118.3° could be achieved. The smallest f-number (f_/#) for this fluid controlled single lens system was found to be 1.3, which corresponds to the numerical aperture value of 0.35.     

基于菲涅耳透镜阵列的红外气体传感器

菲涅耳透镜同时具有分光与会聚特性, 且体积小、重量轻和易复制, 使其在光谱检测中得到逐步应用, 但典型光谱成像仪采用菲涅耳透镜沿光轴扫描的方法来获得连续谱线, 不利于光谱仪的稳定性。考虑到气体探测需求, 选用多通道方式来获得多光谱, 提出了一种基于菲涅耳透镜阵列的新型红外气体传感器, 可实现吸收波长在3～5 μm的CO2,CO,CH4,SO2气体的实时检测。利用球面波的传输理论和瑞利判据, 推导了菲涅耳透镜光谱分辨率与透镜结构参数之间的函数关系, 并以光谱分辨率小于50nm为性能指标, 对1μm工艺的8台阶菲涅耳透镜阵列的结构参数进行了计算和误差分析。结果表明, 透镜阵列所需焦距为47.84 mm, 平均数值孔径大于0.4。     

基于卡塞格林系统的红外制冷型长焦分档变倍光学系统的设计

本文基于卡塞格林系统设计了红外制冷型长焦分档变倍光学系统,计算、推导了光学初始参数及组元的光焦度分配。采用了二次成像结构形式,主物镜组采用R-C光学结构用于缩短筒长,使用投影镜组解决冷屏匹配问题,利用调焦镜实现调焦,通过切换投影镜组后组实现变倍,然后对光学系统像差进行了优化设计,分别给出了长焦系统和短焦系统不同视场的成像质量优化结果,0.8视场内光学传递函数在空间频率17 lp/mm时均大于0.4。最后对主要结构进行了相应的精度分析,结果表明该设计能够很好地满足工程实际需要。     

LED微阵列投影系统设计

为满足便携式投影仪的市场需求,设计了一种基于LED微型阵列的投影系统。该系统由显示单元和投影物镜构成。采用尺寸为12 mm×9 mm的自发光LED微型阵列作为系统的显示单元,利用光学设计软件设计了投影物镜。投影物镜采用反远距光学结构,全视场角为80°,焦距为8 mm,属于强光、广角镜头。在空间频率20 lp/mm处,该物镜的调制传递函数大于0. 85,畸变小于2%,符合投影系统的设计要求。该投影系统具有体积小,结构简单,投影效果好,易加工等诸多优势,可为第三代投影技术的发展提供参考。     

基于PDMS基片的可变焦柱透镜

设计并制作了一种基于聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）基片的可变焦微型柱透镜。这种柱透镜主要由一根埋入PDMS基片中的玻璃毛细管构成,通过选择毛细管内液体的折射率实现变焦功能。液体折射率为1.451 8～1.550 2时,柱透镜焦距可由21.369 mm减小到3.362 mm,变焦倍数达到6.4倍。用散射光成像方法观察并拍摄了平行光通过这种可变焦柱透镜后的光线轨迹图;用ZEMAX光学设计软件摸拟了成像过程,模拟结果和实验图像相符;用高斯光学的逐次成像方法推导出了这种柱透镜的焦距公式,焦距的计算结果和实验以及模拟结果吻合。PDMS基片中可变焦微型柱透镜的成功制作,为＂芯片上的实验室＂提供了一种重要的光学成像元件。     

基于简单透镜列阵的可调焦激光均匀辐照光学系统研究

本文对基于简单透镜列阵的大口径激光均匀辐照光学系统的调焦能力进行了研究, 结果表明, 改变透镜列阵与靶镜之间的距离即可方便地改变靶面上光斑的大小. 文中详细分析了相关参数对调焦能力的影响, 并在此基础上设计出一个实用的光学系统. 用数值方法模拟了激光束通过光学系统后的传输, 发现尺寸不同的靶面光斑具有基本一致的强度结构特征. 定量地分析了光斑内部散斑间隔、调制对比度、顶部不均匀度及能量集中度等描述光斑均匀辐照质量的指标, 并研究了它们随靶面离焦量的变化关系.     

激光辐照猫眼光学镜头时的反射特性机理研究

运用矩阵光学理论以及将硬边光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法, 对激光束辐照猫眼光学镜头时产生的猫眼效应机理进行了理论推导. 通过数值计算对猫眼效应的反射规律进行了分析, 并利用532nm激光辐照一个变焦范围为12—72mm的光学镜头进行了猫眼效应的实验验证, 从而得出了猫眼效应反射光特性与入射激光参数以及猫眼光学镜头的口径、焦距、离焦量等基本参数之间的关系. 研究表明, 猫眼效应反射光特性与猫眼光学镜头参数和入射激光参数密切相关, 且当猫眼光学镜头位于近场和远场的情况有很大不同. 根据入射光束 关键词： 猫眼光学镜头 猫眼效应 高斯光束 反射特性     

紫外衍射微透镜阵列的设计与制备

为了提高紫外焦平面阵列的填充因子,可以通过微透镜阵列与紫外焦平面阵列的集成,以改善紫外焦平面阵列的探测性能。根据标量衍射理论设计了用于日盲型紫外焦平面阵列的128×128衍射微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为F/3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备了128×128衍射微透镜阵列,对具体的工艺流程和制备误差进行了分析,测量了衍射微透镜阵列的光学性能。实验结果表明:衍射微透镜阵列的衍射效率为88%,与理论值95%有偏差,制备误差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列具有均匀的焦斑分布,与紫外焦平面阵列单片集成能较好地改善器件的整体性能。     

Multi-focus optical fiber lens based on all-dielectric metasurface

A multi-focus optical fiber lens is numerically demonstrated based on an all-dielectric metasurface structure. The metasurface consists of an array of rectangular silicon resonators with varying widths in order to obtain the required phase distribution. The core diameter of the multimode fiber is large enough to contain sufficient resonance units. The spatial distribution of the dielectric resonators is dictated by spatial multiplexing, including interleaving meta-atoms and lens aperture division, to achieve multi-focus properties. The proposed optical fiber metalens can produce two or three focal points along the longitudinal direction with high focusing efficiency. The size of every focal point is close to the diffraction limit, and the relative intensity on each focus can be controlled by adjusting the number of the respective resonators. The proposed optical fiber lens will have a great potential in the fields of integrated optics and multifunctional micro/nano devices.     

拉曼光谱编码的荧光液相生物芯片检测系统研究

随着医疗诊断需求的增加,生物分子检测技术越来越受到人们的重视,液相生物芯片技术作为一种高通量,多通道的分子检测手段在近几年得到了飞速发展。通过层层自组装方法制备以微片为载体的拉曼光谱编码液相生物芯片,并利用自行搭建的一套高灵敏度、高分辨率的光学系统,实现对液相生物芯片的定性与定量分析。光学系统由拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统耦合而成。在拉曼光谱检测系统中激光器发射出785 nm波长的激光,通过二向色镜,带反反射镜与物镜汇聚到样品上,样品产生的拉曼散射光,经物镜,带反反射镜,二向色镜与拉曼滤波片,最后通过凹透镜聚焦到光谱仪的狭缝上,光谱仪色散实现在线阵CCD上拉曼光谱的获取。荧光显微成像系统应用光学成像原理,通过调节凹透镜与405 nm的激发光之间的距离,使激发光通过物镜均匀的照射到样品之上,样品激发出的荧光,通过物镜,带反反射镜,二向色镜,滤波片与相应的凹透镜,最后成像到面阵CCD上。改进传统便携式拉曼光谱检测系统光路并选用相应波段的带反反射镜与焦距20倍的物镜完成拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统的耦合。为了减少两路系统之间的相互影响选用合适的二向色镜以及滤波片,在提高耦合系统获取数据的准确性中有着重要的作用。该系统通过对反应之后的液相生物芯片进行拉曼光谱检测,以完成对每个编码玻片的定性识别,即解码;同时激发反应后液相生物芯片的荧光并采集荧光强度图,根据每个解码玻片上的荧光强度值完成对目标检测物的定量分析。区别于传统荧光编码液相生物芯片, 拉曼光谱编码具有稳定性更强,光谱分辨率更高等优点。该光学系统集拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统于一体,解决了目前未有基于拉曼编码的液相生物芯片的检测系统的问题,并且可同时对多种目标物进行识别和定量分析,提升了实验结果的准确性。     

红外光谱图像技术及其在生物学研究中的应用

文章介绍了红外光谱图像技术;介绍了用焦平面阵列检测器、步进扫描傅里叶变换光谱仪、红外显微镜、分束器构成的红外光谱图像硬件系统及信息提取的软件方法;给出了用红外光谱图像分析猴脑组织中蛋白质和磷左异、残留在人胸部组织中的硅酮、水稻叶片等３个在生物学研究中的应用实例;指出了经外光谱图像技术进一步的发展方向是采用同步辐射作为光源、依靠数学算法提高分辨率和发展空间化学计量学来提取空间信息。     

High Optical Magnification Three-Dimensional Integral Imaging of Biological Micro-organism

A high optical magnification three-dimensional imaging system is proposed using an optic microscope whose ocular(eyepiece) is retained and the structure of the transmission mode is not destroyed. The elemental image array is captured through the micro lens array. Due to the front diffuse transmission element, each micro lens sees a slightly different spatial perspective of the scene, and a different independent image is formed in each micro lens channel. Each micro lens channel is imaged by a Fourier lens and captured by a CCD. The design translating the stage in x or y provides no parallax. Compared with the conventional integral imaging of micro-objects, the optical magnification of micro-objects in the proposed system can enhanced remarkably. The principle of the enhancement of the image depth is explained in detail and the experimental results are presented.     

High frequency acoustic microscopy with Fresnel zoom lens

The acoustic field distributions and the convergent beams generated by the planar-structure Fresnel zone transducers on solid surface are investigated. Because only 0 and 180 degree phase transducers are used, an imaging system with the Fresnel zoom lens could work at very high frequency, which overcomes the frequency limit of the traditional phased array acoustic imaging system. Simulation results are given to illustrate the acoustic field distributions along the focal axis and the whole plane as well. Based on the principle of scanning of the focus with the change of frequency for the excited signal, an experimental imaging system is also built. Acoustic Fresnel zone transducers are fabricated at center frequency of 400 MHz. Measurements and detections of the known hole flaws at different depths of the fused quartz sample are presented to show that the imaging system with Fresnel zoom lens could move its focus by only changing the frequency of the excited signal.     

High-speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens

Fluidic lenses allow for varifocal optical elements, but current approaches are limited by the speed at which focal length can be changed. Here we demonstrate the use of a tunable acoustic gradient (TAG) index of refraction lens as a fast varifocal element. The optical power of the TAG lens varies continuously, allowing for rapid selection and modification of the effective focal length at time scales of 1 mus and shorter. The wavefront curvature applied to the incident light is experimentally quantified as a function of time, and single-frame imaging is demonstrated. Results indicate that the TAG lens can successfully be employed to perform high-rate imaging at multiple locations.