增材制造金属反射镜的发展综述

随着光学测量与遥感领域的不断发展,折反式光学系统对重量、体积和环境适应性等需求不断提高。基于增材制造技术的金属反射镜以其便于实现优化设计、快速制造和加工工艺性好等优点,逐渐获得国内外学者的关注与研究。与传统金属反射镜相比,增材制造金属反射镜可以提高反射镜的结构刚度,同时可实现更高程度的轻量化。增材制造反射镜可以满足光学系统对环境适应性和快速性的需求。本文首先讨论了金属反射镜的评价指标;其次,综述了国内外在基于增材制造技术制备金属反射镜领域的发展现状和技术参数,从增材制造金属反射镜的基体设计与制备和基体的后处理2个方面展开论述;然后,通过分析,总结了增材制造金属反射镜的技术路线和关键技术;最后,对增材制造反射镜的应用前景提出了展望。     

利用双反射镜控制实现无线光通信光束对准

针对远距离无线光通信中光束跟踪受长距离大气传输不确定因素影响大的问题,提出了一种利用双反射镜的无线光系统结构。针对双反射镜到接收端的短轴跟踪控制设计了滤光片转盘模块,通过给反射光斑施加频率扰动的方式来实现对相机探测面上双光斑的辨别,并以探测面上双光斑的重叠情况作为判别光束对准的依据。对于存在偏移的重叠双光斑图像,提出多光斑/重叠光斑中心提取的思路,利用最小二乘法椭圆拟合实现重叠光斑的分割,并对无重叠、较少重叠以及较多重叠三种情况下的光斑图像进行分割实验。研究结果显示,在光斑重叠的场景下,光斑中心定位与实际位置之间的标准差小于0.5 pixel,因此所采用的算法在重叠光斑的分离方面具有很好的效果。     

量子点单光子源的光纤耦合

半导体量子点在低温下产生谱线细锐的激子发光可制备单光子源.光纤耦合可避免低温共聚焦装置扫描定位和振动影响,是实现单光子源即插即用和组件化的关键技术.在耦合工艺上,基于微区定位标记发展出拉锥光纤与光子晶体腔或波导侧向耦合、大数值孔径锥形端面光纤与量子点样片垂直耦合等技术;然而,上述工艺需要多维度精密调节以避免柔软光纤的畸形弯曲实现对准和高效耦合.陶瓷插针或石英V槽封装的光纤无弯曲且具有大平滑端面,只要与单量子点样片对准贴合就可保证垂直收光, V槽封装的排式光纤还可通过盲对粘合避免扫描对准,耦合简单.本文在前期排式光纤粘合少对数分布Bragg反射镜(distributed Bragg reflector, DBR)微柱样片实现单光子输出基础上,经理论模拟采用多对数DBR腔提升样片垂直出光和光纤收光效率,使光纤输出单光子计数率大大提升.     

同步辐射束流尺寸测量干涉仪的设计与仿真

基于同步光的干涉法,是一种非拦截高精度的束流截面测量手段。相比传统成像法,干涉法可以测量更小的束团尺寸、分辨率更好,较短测量波长下有望获得亚μm级的分辨率,因此在同步辐射光源中得到广泛应用。对合肥光源HLS II的原有同步光干涉装置,提出了将原有的干涉光路中第一面聚焦透镜换成RC结构聚焦反射镜,第二面单透镜换成双胶合透镜,以达到在不改变光路光轴情况下减小色散和几何像差,从而提高光路成像质量的目的。采用几何光路设计方法对成像质量进行评价,并进行物理光学仿真计算,得到测量系统的干涉条纹。仿真结果表明:光学系统成像的艾里斑半径减小约35%,点列图的均方根半径减小了约99%,波前差也减小了约75%,调制传递函数（MTF）的截止频率提高了约65%,采用聚焦反射镜代替原有的聚焦透镜可大幅提升光路成像质量。     

正弦振动对航空相机成像影响的分析与验证

航空相机拍照时,由于受到振动影响成像分辨率会降低。采用动态调制传递函数研究正弦振动对成像的影响,通过基于空间域的计算方法对高频和低频振动的调制传递函数(MTF)进行了分析,指出了曝光时间不等于振动周期整数倍的一般情况时,高频振动对成像质量的影响也具有随机性,但没有低频振动的随机性明显。采用快速反射镜作为振动源进行成像实验,对获得的振动图像使用小波变换提取图像的高频信息。实验中将曝光时间设定为20ms,振动频率为50Hz时,高频信息波动范围仅为0.0582×104,可以认为基本没有波动。当振动频率为15Hz时,波动范围为0.6233×104,随机性很明显,而振动频率为65Hz时,波动范围为0.1245×104,随机性不明显。通过高频信息与MTF的对应关系,实验证明了理论分析的正确性。在理论分析和实验的基础上,总结了正弦振动对成像影响的普遍性结论。该结论可用于分析成像系统光机结构设计,也可应用于图像去模糊,具有一定的意义。     

基于机器视觉的红外瞄具零位走动量检测系统

为满足红外瞄具零位走动量数字化、高精度的检测需求,设计了基于电荷耦合器件(CCD)机器视觉技术的红外瞄具零位走动量检测系统。提出一种新的零位走动量检测模型,依据检测系统的技术指标及要求,设计了离轴抛物面反射式准直光学系统及针孔靶。为减小由相机倾斜引入的测量误差,建立了相机姿态自适应校正模型,并首次将其应用于零位走动量测量中。设计了图像判读软件,采用重心法对靶标中的圆斑中心进行定位,利用泽尼克矩的旋转不变性,对边缘像素点进行细分。成功研制了一台样机,加工装调后进行了测试实验,结果表明,系统的不确定度优于0.02mil,能有效避免由相机倾斜引入的测量误差,满足红外瞄具零位走动量数字化、高精度测试要求。     

纳秒激光诱导等离子体发射光谱中的自吸收效应

为了减小激光诱导等离子体发射光谱中光谱线的自吸收效应,提高激光光谱分析技术对物质中高含量元素的检测水平,实验采用了一种平面反射镜装置约束等离子体,比较了有或无平面反射镜装置时光谱线的线型变化。实验表明,在无平面反射镜装置时,样品元素Al,Mg和Mn的光谱线半高全宽度分别为0.16,0.24,0.058nm,而采用由四块平面反射镜组成的装置在空间上约束激光等离子体时分别为0.11,0.13,0.047nm。结果表明,光谱线的自吸收明显减小,谱线线型变得比较锐且强度显著提高。通过观测等离子体照片,测量等离子体温度和电子密度,分析讨论了激光光谱自吸收效应降低的原因。     

离轴三反红外双波段景象模拟器光学系统设计

 针对红外双波段成像系统性能测试与评估的应用需求,设计了3 μm～5 μm和8 μm～12 μm红外双波段视景仿真用离轴三反光学系统。在共轴三反光学系统成像理论基础上,分析了孔径光栏远离主镜的离轴三反系统像差特性,研究了大出瞳距、大相对孔径条件下离轴三反光学系统的结构设计和像差平衡方法。系统焦距为330 mm,F#为3,视场为6°×4.5°,出瞳距为750 mm,在空间频率10 lp/mm 处,中波红外MTF>0.65,长波红外MTF>0.4,接近衍射极限。具有大视场、大出瞳距、高分辨率、结构紧凑等特点。     

拼焊式SiC反射镜热变形分析

为了考核拼焊式SiC反射镜在一定温度波动范围内的面形稳定性,利用有限元方法模拟了在温度水平试验条件5℃温差下反射镜的热变形情况。利用曲面方程拟合方法处理镜面变形数据,计算出变形后的镜面面型误差RMS值为1.841nm,满足航天用反射镜对面形指标的要求,考核了该反射镜在一定环境温度范围内的面形稳定性。将模拟结果与相同条件下的环境试验结果相比较,二者误差为3%,具有较好的一致性。验证了该有限元模型以及性能参数的合理性,可为今后更大口径的拼焊式SiC反射镜的研制提供数值模拟基础和材料参数依据。     

双压电片变形反射镜样镜的设计与研制

双压电片变形反射镜作为波前校正器具有结构简单、变形量大、成本低及制造周期短的优点,能代替传统分立式变形镜从而降低自适应光学系统的成本.为验证工艺的可行性和了解双压电片变形反射镜的性能,制造了一块20单元的试验样镜.样镜采用了双层压电陶瓷的结构,其中一层作整体离焦电极以校正大幅值的离焦像差.利用Veeco干涉仪测最了样镜单元电极影响函数,分析了其埘前36项Zernike像差的校正能力.结果表明,样镜对离焦像差能获得高达8μm以上的校正量,对其它高阶像差也能适量校正,但校正能力随空间频率升高而降低,显示出其适合校正低阶像差的特性.此外,讨论了不同有效孔径下样镜对Zernike像差的拟合能力.