弹载卡式红外光学系统消热差设计

为了消除环境温度变化对弹载红外光学系统成像质量的影响,设计了一种在3.7μm～4.8 μm波段工作的弹载卡塞格林式红外消热差光学系统.利用ANSYS软件分析了整流罩在大气中的受热变形对光学系统成像质量的影响,采用光学被动式消热差法对光学系统在-40℃～+65℃范围内进行了温度补偿.设计结果表明,系统MTF在20 lp/mm时轴外可达0.41以上,不同视场下的弥散斑直径小于一个像元尺寸且系统结构简单.该设计可保证光学系统的像面稳定性,有效提高火控系统对目标探测与识别能力.     

卡塞格林望远镜耦合系统锥形导管的仿真与误差分析

为了提高卡塞格林望远镜像斑耦合多模光纤的效率,采用一种在光纤前端放置锥形导管的方法,利用光线在锥形导管中经过多次内全反射耦合进多模光纤中,通过几何光学理论及数值方法分析卡塞格林零视场光束像点的最大耦合角,确定锥形导管初始结构参数。将此参数作为Zemax仿真的初始条件,进行优化仿真计算和误差分析。结果表明:加工误差控制在0.03 mm之内,采用锥形导管后可以使像斑整体耦合效率较直接耦合提高4倍以上。     

弹载卡式红外光学系统消热差设计

为了消除环境温度变化对弹载红外光学系统成像质量的影响,设计了一种在3.7 m~4.8 m波段工作的弹载卡塞格林式红外消热差光学系统。利用ANSYS软件分析了整流罩在大气中的受热变形对光学系统成像质量的影响,采用光学被动式消热差法对光学系统在-40℃~+65℃范围内进行了温度补偿。设计结果表明,系统MTF在20 lp/mm时轴外可达0.41以上,不同视场下的弥散斑直径小于一个像元尺寸且系统结构简单。该设计可保证光学系统的像面稳定性,有效提高火控系统对目标探测与识别能力。     

观瞄仪目标发生器准直投影系统的设计

针对空间标准动态目标发生器的设计指标要求,对卡塞格林R C系统进行了改进,通过在第2镜和像面之间加入一片双曲面镜,设计完成了焦距为1 600 mm、相对孔径为1∶1.2、视场角为1°、工作波段在0.4 μm~0.7 μm和8 μm~12 μm的共轴三反射光学系统。设计结果表明:该系统弥散斑RMS小于5 μm,在可见光波段与远红外波段相应的空间频率处,此共轴三反系统的调制传递函数值均大于0.7,接近衍射极限,满足系统对成像质量的要求。     

基于4f的大视角剪切散斑干涉系统设计

数字剪切散斑干涉技术在工业无损检测领域有广阔的应用前景,传统的迈克尔逊型数字剪切散斑干涉仪由于结构的限制,视场角很小,这限制了其在工程上的应用。介绍一种新型的大视角剪切散斑干涉系统,通过在成像镜头和CCD传感器之间嵌入4f光学系统来扩大其视场角,并实现镜头的外置。理论分析证明,视场角不再受到迈克尔逊结构的限制,仅仅取决于镜头的焦距和CCD传感器的靶面尺寸。设计并组建了一个大视场角迈克尔逊剪切散斑干涉系统,对比实验表明,在短的工作距离下实现了大视场的全场检测,在1 m的测距下,新系统测量面积可达800 mm600 mm,而传统的系统测量面积只有250 mm200 mm。     

基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.     

共轴球面光学系统的热象差分析

本文系统分析了径向均匀温度场中,热对共轴球面光学系统的影响,得到了初级位置热象差与初级倍率热象差的一般表达式.在此基础上得到了均匀温度场中薄透镜系统的热象差表示式,该热象差表示可以用来指导无热象差光学系统的设计.最后根据上述分析,讨论了几种简单系统的热效应与无热象差设计途径.     

利用镜面形变实现共轴折反射式变焦光学系统设计

在光学系统中加入2个或多个可变光学元件,保持光学元件位置不变,通过微调装置改变这些可变光学元件的焦距使得整个光学系统的有效焦距发生变化。基于该设计思想,结合卡塞格林(Cassegrain)反射式望远镜结构模式,使用ZEMAX光学设计软件设计了焦距为1 600 mm～800 mm,视场0.6°～1.2°的变焦系统,整个系统由2个可变形反射面、1个平面反射面和1个透镜组成,主要通过主镜和次镜面型曲率(可变形镜DMs,Deformable Mirrors)以及入瞳直径的变化实现系统变焦。设计结果表明:系统在空间频率16 lp/mm处调制传递函数大于0.75,最大均方根弥散斑半径均小于探测元尺寸,满足成像要求。     

梯度折射率单透镜的设计

已经设计了一种具有径向梯度折射率函数分布的单片摄影透镜。一个相对孔径为f/6.3,半视场角为25度的单透镜校正了球差、彗差、予午与弧矢场曲。这些象差是指总的,而不是三级、五级等。该透镜的性能是与相对孔径为f/11、采用均匀介质的、具有最佳设计的同类型式的单透镜相当。     

星敏感器光学系统弥散斑测试方法

提出了一种星敏感器光学系统弥散斑尺寸的测试方法,主要是利用平行光管、转台和CCD显微摄像系统组成弥散斑测量系统,采集图像后,采用双三次插值像元细分,提取图像中灰度值,依据瑞利判据计算弥散斑尺寸。通过实际测量和试验验证,光学系统0.8视场弥散斑测量精度可以达到0.5μm,重复测量精度可达0.2μm。     

同轴收发卡式系统加入平板后的像差校正研究

在卡式系统的后光路中加入倾斜的平板,实现同轴透射端可见光的接收及反射端红外光的发射。该卡式系统口径为400 mm,焦距为4 000 mm,视场为±1.5′,加入平板后会给系统造成较大的像差,为了达到系统设计要求:角分辨率小于1″,MTF曲线在35.7 lp/mm处高于0.6。分析了倾斜平板产生的像差,对比不同材料和厚度的平板对像差的影响。通过加入偏转的双胶合透镜校正像差,但该方法会使系统的出瞳位置发生变化,从而提出使用偏转三胶合透镜保证出瞳位置的校正方法,并对加入的透镜进行公差分析,最终达到设计指标。     

激光雷达偏振成像遥感的望远镜系统偏振分析

激光雷达偏振成像主要是利用不同目标散射光偏振度的差异来实现对目标成像的。由于大部分光学系统都存在消偏振效应,因此系统自身的消偏振问题在成像过程中必须考虑。根据近轴理论和消像差的要求设计出卡塞格伦望远镜的几何结构,应用琼斯理论、光波的相干矩阵和菲涅耳反射理论对空气和卡塞格伦望远镜的交界面进行了消偏振分析,并使用Matlab软件仿真了卡塞格伦望远镜在镀金属反射膜前后,反射光偏振度在望远镜径向直径上各点的变化曲线。根据仿真结果可以看出偏振成像系统中使用的卡塞格伦望远镜在镀铝金属反射膜时其消偏振效应在成像过程中可以忽略。     

Angular scatter ultrasound imaging of wavelength scale targets

A bistatic ultrasound imaging system is demonstrated that uses two 32-element linear phased array transducers oriented at an angle of 40 degrees to one another. The system simultaneously acquires and displays in real time one conventional backscatter image and one "angular scatter" image formed using side-scattered echoes from the same B-mode sector region. Experiments are presented that show differences in the magnitudes of backscatter and angular scatter signals acquired from three nylon monofilaments with diameters less than one wavelength and from soft tissue structures in vivo. The relative magnitudes of angular scatter signals from the monofilaments are qualitatively consistent with a theoretical analysis of acoustic scattering from elastic cylinders. Larger tissue features are more clearly defined in angular scatter images. This result is attributed to the orientation of specularly reflecting surfaces and the expected influence of scattering angle on the system's sensitivity to different scatterer spacings.     

太阳光光纤耦合光学系统设计

介绍一种长焦距、大口径太阳光光纤耦合系统的光学设计。为达到减小大口径单透镜汇聚太阳光所产生的球差和色差的目的,采用聚光透镜后增加消像差光学系统的方法,并用Zemax软件设计优化出适用于光纤耦合的光学系统,经过优化设计得到光斑半径为45.043 m,能量集中度达95 %以上,像方孔径角为9.090 2,系统总长525.584 mm,满足数值孔径为0.22,芯径直径为1.5 mm的石英光纤的耦合要求。     

卡塞格林系统光学装调技术研究

介绍卡塞格林系统非球面主镜使用三坐标测量仪进行定心装调的方案。系统的主镜口径为300 mm,需要使用结构胶进行胶结固定,选用微应力粘接方法,将胶层粘接应力与热应力变形控制在极小的范围内。利用ZYGO干涉仪获得光学系统的波前信息,将测得的波相差转化为初级像差,根据光学系统失调量与像差的关系对卡塞格林系统进行计算机辅助装调。调试后,系统的RMS值达到0.10,分辨率达到1以内,检测结果表明:该系统的成像质量接近理论衍射分辨率,该方案可以实现快速定心,并且能够满足计算机辅助装调对定心精度的要求。     

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

 成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。     

Half-field and normal electron spin resonance study of the quasi-two dimensional magnetic crystal Mn(CHOO)2·2H2O

We have studied the normal electron spin resonance at the Larmor frequency as well as the half-field resonance of the quasi two dimensional magnetic crystal Mn(CHOO)₂·2H₂O at 35 GHz and room temperature. There are two groups of Mn²⁺ ions referred as A and B in this compound. The A ions lie in parallel (100) planes and have a strong exchange interaction within the plane. On the other hand, the B ions which lie in the adjacent parallel planes have no exchange interaction in the plane. We have measured the line width of the normal resonance from the A ions as a function of θ and φ where θ is the angle between the d.c. magnetic field H₀ and the a-axis of the crystal, which is very nearly perpendicular to the (100) plane and φ is the azimuthal angle of H₀ in the bc plane with respect to the b-axis. We also measured the intensity of the half-field resonance as a function of φ. We have calculated the second moments of the normal resonance line as a function of θ and φ. There is a satisfactory agreement between the calculated and the observed θ dependence of the line widths. The intensity of the half-field resonance has a maximum at φ = 40° whereas in an ideal 2d magnet, the maximum intensity is expected at φ = 45°. The ESR line width, because of the spindynamics in a 2 dimensional magnetic crystal, has an angular dependence of the form (3 cos²θ ? 1)². The observed dependence of the line width in Mn(COOH)₂·2H₂O seems to follow the same angular dependence when corrected for the contribution from the nearest neighbor B ions.     

外场紫外与可见光双波段可调焦装置校准设计

设计了一种用来校准紫外与可见光光轴平行性的可调焦光学系统,调焦范围为70 m~。针对目前大多数校准系统无法进行调焦的问题,提出一种既能校准紫外与可见光光轴平行性又能对紫外部分进行调焦的方法。采用离轴卡塞格林系统作为初始结构进行设计,通过在传统的卡塞格林系统中加入调焦组和补偿组来实现调焦以及像差补偿,所设计的系统可以有效地解决紫外与可见光双光轴平行性失调的校准问题,提高紫外与可见光双光轴平行性校准效率,并且在不同视距下光学传递函数值及点列斑均接近衍射极限,能量集中度达到90%,整个视场的像质均匀,像面清晰,有利于后续的图像处理工作。     

Design of Double Cassegrain reflective mirrors for optical system of IR cameras

IR optical systems such as Petzval doublet refractive lenses or Cassegrain reflective mirrors are either expensive or poor in image quality. Taking advantage of the low cost of reflective mirrors, here we present an optical design of Double Cassegrain reflective mirrors consisting of two sets of Cassegrain reflectors facing each other symmetrically. This symmetry also cancels many aberrations besides the chromatic aberration-free nature of reflective mirrors. Design results show that this system is better than Cassegrain reflectors in aberration correction and image resolution, but cheaper than Petzval doublet refractive lenses systems in price. IR cameras with this optical system could be widely used for body temperature measurement and security check.     

自聚焦透镜的光斑尺寸与像差特性分析

对自聚焦透镜的光斑尺寸和像差特性进行了理论分析.利用自聚焦透镜光斑测量系统对样品的出射光斑进行了扫描,测得了光斑的大小；用读数显微镜和正方形网格图分别测量了样品的球差和畸变,并对光斑的测量作了误差分析,讨论了球差与畸变、光斑和像差之间的关系.所得结果对光斑质量的改善、像差特性的研究和自聚焦透镜的评估有一定的参考价值.