小孔阵列式太阳敏感器的光学系统设计

微型数字式太阳敏感器光学系统由APS CMOS图像传感器和基于MEMS工艺的小孔阵列式光线引入器组成。图像传感器的分辨率为1024×1024pixel,像素尺寸为10μm×10μm;光线引入器具有微小孔阵列结构,小孔为方形孔,30×30阵列,尺寸为60μm×60μm,间距为250μm。光线引入器采用了MEMS工艺的掩模板制备工艺。针对所设计的光学系统计算了曝光时间,并在此基础上进行了地面成像实验。实验结果表明,光学系统设计合理,保证了敏感器所具有的高精度和大视场。     

利用小孔衍射实现光学湿微镜的超高分辨率

系统地介绍了利用小孔衍射（α＜＜λ）实现光学显微镜的超高分辨率的原理及实验，阐述了与显微术的工程应用密切相关的孔衍射的近域场理论，简要说明了这一显微原理的优越性。     

可见光二维小孔矢量衍射分析

现代精密光学系统的发展,对光学元件的加工和检测提出了非常严格的要求,达到纳米量级.相移式点衍射干涉仪是一种应用在纳米精度检测中的常用干涉仪,其参考波前由直径在几百纳米量级的小孔衍射产生,其衍射波前与理想波面的误差,决定了干涉仪的检测精度.基于有限元方法,计算了聚焦入射情况下,不同直径小孔的衍射波面.分析了聚焦斑发生对准...     

光学元件阵列的衍射理论分析

从菲涅耳衍射理论出发,分析了光学元件阵列的衍射成像性质,求得了其点扩散函数。进一步分析了光学元件阵列的综合成像性质,得到了阵列能够成综合像的条件。由相同光学单元组成的阵列在按一定的规律排列时可以成综合像,但一般只在一对固定的共轭面上有理想的综合像,而并非对于任意位置的物均有相应的综合像。 关键词：     

衍射光学在无人机姿态控制中的应用

CCD星敏感器是无人飞机等航空航天器姿态控制的关键设备,其工作谱段很宽,跨可见光至近红外光光谱,且对系统的体积有特殊的要求,从而可满足飞行器的小空间体积的要求。针对一实际用于无人飞机上的系统的要求(焦距为60～100mm,F/1.3～F/2,谱段范围为0.48～0.85μm,视场为80°～100°),提出了使用折衍混合的新型光学系统,在较宽谱段内消除了色差,并校正了其它像差。从设计结果可以看出,系统可满足最终的使用要求。     

分数阶涡旋光束在远场的衍射特性

模拟分析了分数阶拉盖尔-高斯涡旋光束在远场形成的光强和相位分布,探讨了拓扑荷从分数到整数变化时光束特性的演化过程。光强分布图中出现了两个大小和形状不同的环状光斑,较大的环状光斑上有形状规则的亮斑,环状光斑所围区域内暗斑呈椭圆状,亮斑和暗斑的数量都与入射光的拓扑荷有关。     

双曲余弦-高斯光束经微小孔衍射的轴上光强特性

基于横截面上精确表述的光强和瑞利-索末菲衍射积分公式,通过数值计算分析双曲余弦-高斯光束经微小孔衍射的轴上光强特性,详细讨论了偏心参数、微小孔的孔径a和束腰宽度与波长之比w0/对双曲余弦-高斯光束轴上光强的影响。结果表明:双曲余弦-高斯光束的轴上光强分布依赖于偏心参数、孔径a、w0/参数和传输距离。     

航天太阳敏感器的应用与发展

综述了当前广泛应用的数字太阳敏感器的原理、系统设计、应用领域和发展现状。首先,叙述了太阳敏感器的工作原理;数字太阳敏感器一般采用小孔成像的原理,包括光学系统、光电探测器和信息处理单元3个部分。其次,介绍了太阳敏感器的光学系统,包括单光孔、单狭缝、多光孔和多狭缝等多种入光形式。然后,从常规光电探测器件和集成了光学系统、图像传感器和信息处理单元的探测器两个层面,说明了太阳敏感器涉及的光电探测器的发展,并介绍了相应的太阳像点中心提取算法。最后,给出了航天太阳敏感器的现有产品及应用现状,讨论了未来航天太阳敏感器面临的挑战和发展趋势。     

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。     

超短脉冲经线性小孔阵列衍射时的光谱开关特性

研究了超短高斯脉冲光束经线性排列的矩形光阑阵列衍射后的远场光谱奇变现象。基于菲涅耳积分公式,通过将光阑函数展开为有限项复高斯函数的叠加,得到了超短脉冲光束经线性排列的小孔光阑阵列衍射后的谱强度解析表达式,并对衍射场的光谱红移和蓝移现象进行了数值计算和分析,分析了小孔间距和光阑半径对光谱强度的影响。研究表明:在衍射场的某些观测点,即在调制函数为零的位置附近,存在光谱开关现象。     

标量衍射理论的非傍轴近似及其有效性

当光束束腰（或衍射孔孔径）可与波长相比拟或光束具有较大的发散角时,傍轴近似不再成立.在标量瑞利.索末菲衍射积分的基础上,进一步研究了衍射场的非傍轴近似解,并详细分析了解的有效性.以平面波圆孔衍射为例,对衍射场的精确解、非傍轴近似解以及菲涅耳近似解进行了详细的数值计算和比较研究.结果表明,非傍轴近似对微小孔衍射非常精确、有效.     

局域体全息光栅的衍射特性

基于三维耦合波理论，研究了两束有限宽度的任意偏振平面波干涉产生的局域体全息光栅的衍射问题。以单位均匀振幅的任意偏振平面波为例，给出了透射波和衍射波振幅的主分量和交叉分量的解析表达式，讨论了记录过程和再现过程中入射的参考光波的偏振角对透射波和衍射波振幅的影响。计算结果表明，记录过程中的偏振角越小，形成的光栅内的耦合越强，衍射效率越高，但光束质量越差；再现过程中不同的偏振角，由于入射波和衍射波的电矢量的不同方向的耦合强弱不同，透射波和衍射波振幅的主分量和交叉分量的振幅变化行为不同。     

四孔径衍射屏在近场形成的光强分布及拓扑荷

利用基尔霍夫衍射理论计算模拟了四圆孔径衍射屏在菲涅耳深区形成的衍射光场的强度、零值线和相位的分布,发现衍射光场亮斑关于中心呈对称分布,在距离衍射屏较近的观察面上,光强值为零的点组成光强零值线段,该线段上光强等值线的离心率都接近或等于1,其两侧的光强值变化非常剧烈。复振幅的实部和虚部零值线多为封闭的曲线,零值线交叉点的个数为偶数,并且正负相位奇异点的个数相等。特殊相位奇异点周围的相位不仅呈对称分布,而且该点的拓扑荷的值近似为零。随着光波的传播,在不同的观察面上光强零值线段逐渐变短,最终趋于一点。     

平面波经小圆孔衍射的轴上光强特性

基于精确的衍射场公式和横截面上光强的精确表述，分析讨论了单色平面光波经小圆孔衍射后，其衍射光束轴上光强的最大值以及轴上光强极值的数目和小圆孔半径的关系；并且由此考察了一般的菲涅耳数计算公式的使用条件。     

圆锥透镜对倾斜球面波光束的衍射模式

由于球面波入射圆锥透镜所产生的出射光束具有焦深长和中心光斑直径较小的特点,适合激光通信以及长距离测量.在实际使用中,入射球面波很可能与圆锥透镜的光轴发生倾斜.研究了圆锥透镜对倾斜球面波光束的衍射特性,通过基尔霍夫衍射理论以及稳相法分析,分析了其径向衍射光场分布形式,并用计算机进行了仿真.使用了半径为15 mm、底角为1°的圆锥透镜进行实验,并对仿真结果进行了验证.仿真和实验证明,减小入射球面波曲率半径、出射光束传输距离和入射光束倾斜角都可以减弱入射光束倾斜对衍射图的影响.     

用菲涅耳衍射理论分析双光栅成像效应

从理论上对双光栅成像效应现象进行研究,分别从菲涅耳衍射理论和平面透射光栅的菲涅耳衍射公式出发,分析了物光波经过两个平行放置的平面透射光栅组成的系统衍射后的复振幅分布。分析结果表明,在理想状态下,当两个光栅的放置位置满足一定条件时,在第二个光栅后面可以观察到一个清晰的原物体图像。理论分析解释了两个光栅在双光栅成像效应中的作用,得到了双光栅成像效应发生时,两个光栅的空间频率、衍射光级数以及光栅放置位置之间的关系式,这与实验所得结果相一致。     

衍射光学透镜的设计

介绍一种衍射光学透镜的通用设计方法，它适用于大的相对孔径和任意的物像共轭距离，同时考虑了透镜基板厚度的影响．设计的结果，用激光写入法加工成透镜，其成像质量达到衍射极限．     

高斯光束照射下与矩孔相关的孔径衍射

依据基尔霍夫衍射理论,利用幂级数展开的方法,推导出傍轴条件下高斯光束的矩孔及单缝衍射的近似计算公式,并通过数值计算、数值模拟等方法对衍射场的基本特性进行了讨论。     

米氏理论的近似及在粒度测量中的应用

将夫琅禾费衍射理论与几何散射 (包括折射和反射 )相结合 ,给出平行光入射下圆形颗粒在前向大角度范围内的散射光强分布近似算法。由于考虑了衍射、折射和反射相互间的干涉效应和颗粒对光的吸收性 ,对于正常或非正常衍射状态下无因次参量α≥ 40的耗散颗粒 ,在前向 0°～ 60°散射之内 ,该方法对散射光强计算结果与米氏理论结果是吻合的。由于计算速度比米氏理论快 ,有效角度范围比夫琅禾费衍射理论宽 ,因而适合于大颗粒的前向光强计算。将这一计算方法应用到大角度采光时的激光粒度测量实验中 ,收到了良好的效果