基于全息光学元件的光纤光谱仪的光路设计

基于全息光学理论分析了全息光学元件的高斯成像性质,包括光焦度、成像位置、衍射效率以及作为光纤光谱仪光栅元件的可行性,并以全息光栅的成像理论以及光谱仪工作原理为基础,设计了光谱仪器光学系统的各个参数,通过Zemax软件的仿真、像质评价及优化,得出最终的参数和模拟结果。所使用的全息光栅记录波长为575 nm,记录光束之间的夹角为10,一束为平面波,一束为球面波,焦距40 mm,使用+1级衍射光,光栅孔径为10 mm。光谱仪的工作波长范围为400 nm～800 nm,体积140 mm*30 mm*40 mm,谱面展宽29.1 mm。通过在光学平台上搭建光路,利用已研发完成的电路系统及光谱仪软件,针对汞灯光谱进行了试验,光谱分辨率优于8 nm,测量得到的汞灯光谱与标准汞灯光谱一致,表明了所设计的基于全息元件的光纤光谱仪光学系统是可行的。     

光学元件波前畸变对驱动器光路设计的影响

高功率激光驱动器光路设计要考虑像传递、鬼像规避和杂散光管理等多项优化措施.基于衍射光学传播理论,从输出负载能力提升的角度研究大口径光学元件波前特性对驱动器光路设计参数优化的影响.研究表明,驱动器末级光路的排布间隔如果控制在6 m以上,将非常有助于提高激光驱动器的输出负载能力.一般情况下,波前峰谷值达到0.34λ的单块大口径光学元件能使高功率激光的近场光束质量最大下降约10%,达到1.36λ后最大下降约21%;波前分布特性不同的多片大口径光学元件的波前相消叠加有利于降低中频波前部分对装置负载能力的影响,但是,大口径光学元件的非线性效应会加重中频波前对装置输出负载能力的影响;在限定大口径元件损伤阈值20J/cm~2的前提下,光路排布紧凑的激光驱动器末级输入激光通量控制在16.8J/cm~2之下不易损伤光学元件.相对宽松的光路设计可以进一步提高末级输出激光的平均通量水平,非常有利于激光驱动器装置输出负载能力的提升.     

深空测控系统X波段低温接收组件

为满足探月工程及火星探测等深空测控的需求,开展具有极低噪声和发射频率功率强抑制双重要求的X波段低温接收组件的研制。采用隔热技术和阻抗匹配技术实现了隔热传输线从常温(300K)到低温(12K)的良好隔热和极低损耗;采用超导滤波器实现低的引入噪声的同时实现对发射频率的强抑制,避免其对接收频段的干扰;通过场效应管参数提取及源极负反馈等电路设计方法实现了极低噪声低温放大器的研制。通过热仿真设计将低温工作部件降至所需温度,以降低其引入的噪声温度。通过以上关键技术的解决,实现了接收组件在8.4-8.5GHz频率范围内:噪声温度≤11.4K;增益≥56.1dB;发射频率抑制≥141dB。很好满足了深空测控系统极低噪声和发射频率强抑制的需求。     

聚光模组二次光学元件优化设计与研究EI北大核心CSCD

聚光光伏模组中,二次光学元件对增加太阳能电池接收到的入射光能量,提高聚焦光斑均匀性和增大菲涅耳透镜接收角具有重要作用。设计了一种用于聚光光伏模组的全反射式二次光学元件,用Solidworks软件建立了三维模型,结合实际工程应用,借助Zemax软件光学模拟仿真手段,对二次光学元件的倾角和高度等重要参数进行了优化。并制作了不同参数的二次光学元件,配合菲涅耳透镜、太阳能电池,搭建了实物聚光发电单元,在太阳模拟器下进行I-V性能测试,结果表明当二次光学元件高度为6 mm,上圆直径为7 mm时,太阳能电池的输出功率达到最大值720 m W,与不加二次光学元件相比,输出功率提高了16%。说明该二次光学元件对提高聚光模组效率作用显著。     

空间光学遥感器CCD焦面组件热设计

空间光学遥感器CCD焦面组件的热控工作旨在保证CCD器件所需温度水平和温度梯度,以满足遥感器高质量成像要求。分析了CCD焦面组件的工作模式与热控要求,遵循"被动热控为主,主动热控为辅"的热控制策略,提出了CCD焦面组件的热设计方法。在此基础上通过Sinda/G和TMG软件进行了计算机仿真,验证了热设计的正确性,对各类空间光学遥感器CCD焦面组件的热设计有一定的指导和借鉴作用。     

二级级联式室内可见光通信光学接收天线设计

针对室内可见光通信系统的传统光学接收天线无法同时满足高增益和大视场的问题, 设计了一种二级级联式光学天线. 通过分析信噪比、通信速率与接收天线视场角的关系, 发现视场角为40°–60°的光学天线最适用于室内可见光通信系统. 通过光学仿真软件TracePro的模拟及计算, 给出了所设计的二级级联式光学天线的增益随信号光入射角的变化关系. 结果表明, 相较于传统接收天线, 二级级联式光学天线具有更好的光学性能, 视场角为菲涅耳透镜单独接收时的4 倍. 利用Matlab对二级级联式光学天线竖直向上时的接收功率分布进行仿真, 结果显示探测器接收到的信号功率提升效果明显, 平均值较直接探测时增大了7 dBm, 进一步证实该二级级联式光学天线适用于室内可见光通信系统.     

一种基于运动式发射天线的光学接收天线设计

设计一款应用于多发射天线多接收天线自由空间激光通信系统中的折射式光学接收天线。天线焦距120.02 mm,相对孔径1∶1.13,工作波长为850 nm,波长范围覆盖820 nm ~880 nm,在50 lp/mm频率处0视场的MTF为0.5。接收天线可以在发射天线移动48 mm范围内利用光敏面直径为0.5 mm的雪崩光电二极管（APD）接收3 mrad发散角的光信号。该天线由两组、共4片球面透镜组成,结构简单,可实现对运动式发射天线的光信号的接收。     

双波长偏振测量激光雷达接收光路的设计

双波长偏振测量激光雷达在环境遥感、植被遥感、测绘以及军事侦察等方面具有重要的应用价值。双波长接收透射光路的设计对于提高激光雷达的应用效率、减小系统体积、降低系统的重量和成本有着重要的意义。应用ZE-MAX光学设计软件,设计了1064nm和532nm的双波长的激光雷达偏差测量接收光路,给出了该系统的最佳设计参数,对所设计光路的点扩散函数分析结果表明,该光路可以很好地获得双波长最佳成像探测质量,为实际工程应用具有良好的借鉴作用。     

衍射光学元件设计方法综述

衍射光学元件（DOE）因其轻型化、小型化和多功能化等特点,在现代光学系统中得到了越来越广泛的应用。针对不同应用场景下DOE的性能需求,研究人员需要灵活运用DOE的设计方法进行设计。通过回顾DOE设计的基本原理简述了现有基于衍射原理和干涉原理的DOE设计方法,通过几种典型应用中的最新进展阐述了具体的DOE设计方法及其适用性,并对DOE设计中的难点及其在未来科技中的可能应用方向进行了展望。     

头盔显示器自由曲面光学组件的优化设计

根据设计要求计算了非共轴球面光学系统的初始结构,选定泽尼克多项式为自由曲面面型,利用正交泽尼克多项式与像差的关系,调整曲面参数校正系统的像差,运用CODE V进行系统优化。通过设计实例对比了直接优化和分步优化方法,由对比结果可知,分步优化更适用于自由曲面光学组件的设计。仿真结果表明:系统在整个视场范围内,点列斑直径小于27 m,网格畸变的最大值为-7.15%,30 lp/mm处的MTF大于0.197。     

EMCCD侦察探测装置光学系统设计

为了满足EMCCD侦察探测装置的实际使用要求,设计了一个三视场光学系统。系统采用EMCCD接收,像元尺寸为16 m16 m 。通过对比4种成像系统结构形式的优缺点,选定三视场光学系统的初始结构形式,运用CODEV软件对其进行优化,实现600 nm～850 nm波段范围内三视场光学系统成像。设计结果表明,三视场光学系统的传递函数MTF在35 lp/mm频率处均大于0.5,点列斑直径均小于像元尺寸,畸变均小于0.2%,成像对比度满足使用要求。     

光学元件缺陷在线检测光学系统设计

为实现对望远镜系统中光学元件表面缺陷在线检测,介绍了一种用于光学元件表面缺陷检测的变焦距成像光学系统,采用机械变焦形式实现变焦功能。根据望远镜系统技术要求计算出变焦距系统的关键参数, 通过Zemax软件设计并优化得到最终结果,整个变焦系统的设计实现了90 mm~540 mm的6倍变焦,在变焦过程中F数和像面位置保持不变,变焦系统总长为553.1 mm。从调制传递函数(MTF)、点列图 2个方面分析了系统的成像质量,系统在各焦距处的MTF值在100 lp/mm处均大于0.3,物方分辨率优于0.055 mm,在不同焦距处弥散斑半径均方根值均控制在艾里斑半径范围内。最后对系统环境适应性进行了分析, 讨论了工作温度范围为-10℃~40℃时对系统成像质量的影响,并给出了温度补偿方案。实验结果表明,补偿后的系统成像质量良好,满足实际需求。     

一种HBV多聚酶基因检测系统的光学系统设计

基于荧光偏振理论,设计了一套HBV多聚酶基因检测光学系统。该光学系统包括荧光激发系统和荧光检测系统。使用荧光激发系统对激发样品产生荧光,由荧光检测系统对荧光进行水平和垂直两个方向的荧光强度检测,从而获得荧光的偏振度。通过更换该套系统中的滤光片可实现对400～550nm范围内的样品荧光偏振度的检测。运用该光学系统进行了临床实验,结果表明,系统测试方法具有简单易行、灵敏度高、精确可靠、抗干扰能力强的特点。     

大视场反射式施密特光学系统设计与检测

大视场、低成本、高性能天文望远镜是当前研究和开发的热点。基于像差平衡原理,在正入射施密特矫正板基础上推导出斜入射反射式施密特矫正板方程,针对焦距1 700 mm,成像视场角4°,波段为0.4 μm～0.9 μm,F数为4.25的光学系统,求解出施密特矫正板方程,并作为初始结构参数代入Zemax软件进一步优化。设计结果表明,在全视场范围内,该系统在奈奎斯特频率100 lp/mm处的调制传递函数MTF大于0.35,畸变小于2.5%,成像质量达到了衍射极限。优化设计后施密特矫正板与最近球面最大偏差为0.005 mm,采用特制的补偿器结合干涉仪可完成面形高精度检测。该施密特系统的设计为大视场、宽波段天文望远镜的开发提供了参考。     

Optical and electronic design for a field prototype of a laser-based vehicle delineation detection system

A field prototype of a laser-based non-intrusive vehicle detection system has been developed for the measurement of delineations of moving vehicles on the highway. This prototype is based on our previous research on the principle of the measurement. The detection system uses two laser lines that are projected onto the ground as probes. The reflected light is collected and focused onto a photodiode array by an optical system. Vehicle presence is detected based on the absence of reflected laser light. By placing two identical laser/sensor pairs at a known distance apart, the speed of both the front and rear of a vehicle can be calculated based on the times when each sensor is triggered. The detector data are acquired and processed by a real-time system to obtain speed, acceleration, and length of a detected vehicle. The travel time of a vehicle can be acquired by detecting a vehicle at the beginning of a link and re-identifying the same vehicle at the end of the link. Several tests have been done with the field prototype system on the highway. The testing results show that the system can obtain the accuracy of measurement necessary to distinguish between moving vehicles on the highway. This article describes the design and implementation of each functional component of an advanced version of the field prototype system.     

Optical pumping system design for large production of hyperpolarized

We present a design for a spin-exchange optical pumping system to produce large quantities of highly polarized 129Xe. Low xenon concentrations in the flowing gas mixture allow the laser to maintain high Rb polarization. The large spin-exchange rate between Rb and 129Xe through the long-lived van der Waals molecules at low pressure, combined with a high flow rate, results in large production rates of hyperpolarized xenon. We report a maximum polarization of 64% achieved for a 0.3 l/h Xe flow rate, and maximum magnetization output of 6 l/h at 22% polarization. Our findings regarding the polarization dependence on temperature, nitrogen partial pressure, and gas mixture flow velocity are also reported.     

用于监控系统的鱼眼镜头光学设计

为了满足监控系统中单镜头可实现全景监控的需求,运用仿生学原理,在原有鱼眼镜头的基础上结合监控系统的需求,运用ZEMAX软件设计了一款视场为180°,相对孔径为1/1.6的鱼眼镜头.该镜头由9片透镜组成,总长度为68.5mm,采用1/3英寸CCD作为图像接收器件.在120lp/mm时,其MTF曲线在轴上大于0.4,在80...     

一种数码相机定焦镜头的光学系统设计

为适应市场上对结构简洁、成像品质高且生产成本低的数码相机镜头的需要,运用光学设计软件CODE V,在传统数码相机定焦镜头的基础上,结合非球面塑料透镜理论,模拟出了生产成本较低的三片式数码相机定焦镜头。该数码相机镜头结构的特点是：模块仅包括3块透镜;选择塑料镜头代替玻璃/塑料混合镜头或者全玻璃镜头,降低了系统的生产成本;系统的后焦距增大到0.8116mm,能够确保良好的远心光路性能;透镜表面完全采用非球面设计,较好地校正了球差等各种像差,使透镜具有良好的光学成像性能。     

可变焦距机器视觉镜头光学系统设计

在机器视觉系统中,镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。针对生产过程中机器视觉系统在保持工作距离不变的情况下需获得不同的放大倍数,采用机械补偿形式,利用Zemax软件设计了一款可用于机器视觉的可见光多焦点变焦物镜系统。该系统工作距离可以在290 mm～340 mm范围内变化,实现了焦距从10 mm～100 mm的10倍多焦点变焦。设计结果表明:该变焦物镜最大畸变小于1%,最大兼容0.84 cm(1/3英寸)CCD图像传感器。用调制传递函数对系统的成像性能进行评估,该系统在空间频率100 lp/mm处调制传递函数大于0.3,满足成像要求。