光电子技术与器件 光电成像与器件

TN386.52006010552大视场CCD成像系统像面均匀性测试技术研究=Re-search on measuring technique for i mage sensors′uniformi-ty of the CCDi mage-forming system with large-field angle[刊,中]/张鑫(北京理工大学信息科学技术学院光电工程系.北京(100081)),林家明…∥光学技术.—2005,31(6).—846-848,853以光度学为理论基础,研究了大视场CCD成像系统像面均匀性测试技术。论述了600~800mm非对称、双半球不等半径积分球的设计方案。对像面均匀性测试系统的积分球出口进行了测试,出口处的照度不均匀性不高于2.3%,照度不稳定性不高…     

光电成像检测系统像面照度均匀性分析

非均匀发光光源、大视场角等因素会造成光学成像检测系统像面照度分布不均匀,进而导致检测效率下降。研究非均匀发光光源和大视场角对像面照度均匀性的影响程度,首先建立光源间距与受光面接收照度间的关系模型,仿真分析不同LED间距对像面照度均匀性的影响,然后建立光学耦合系统的物面张角和像面照度间的关系模型,仿真分析物面张角对像面照度均匀性的影响。实验结果表明:在非均匀发光光源和大视场角的作用下,检测系统会造成像面照度严重不均匀现象。研究结果为后续像面照度校正算法设计提供了理论依据。     

大视场光学系统像面照度均匀性优化

为提高大视场光学系统像面照度的均匀性,从理论上分析了光学系统像面照度的影响因素,提出使用中心遮拦产生的轴外斜光束截面积与轴上光束截面积之比对像面照度进行优化的思路。以理想系统建立数学模型,得到了中心圆形遮拦影响下不同视场角光束截面积比值的变化规律,并分析了遮拦对调制传递函数(MTF)的影响。进一步提出采用Zemax与Matlab软件动态数据交换(DDE)进行像面照度自动计算优化的方法。以某焦距56mm,相对孔径=1/5.6,视场角2ω=80°的航测镜头为例进行了优化,通过在光学系统第5表面上增加半径为4.384mm的中心遮拦,像面照度的不均匀性由优化前的22.3%降低至3.5%,均匀性明显改善。在优化实例中讨论了MTF曲线的变化,指出采用中心遮拦后的传函指标仍满足CCD探测器成像使用要求。     

大视场紫外告警相机光学系统研究与设计

为了提高紫外探测器系统的信噪比,确保紫外告警相机的低虚警率,分析与研究了大视场紫外光学系统的结构型式,采用反远距、准像方远心光路,实现了大视场光学系统的像差校正,使系统具有优良的成像质量及均匀的像面照度.设计了波段范围为0.254~0.272μm、视场角为110°、相对孔径为1/3的光学系统.系统成像质量良好,畸变小,像面照度均匀.成像质量分析结果表明:全视场最大弥散斑半径小于53.7μm,轴上、轴外视场像面照度均匀性小于15%,0.85视场的相对畸变小于20%,满足紫外告警相机的使用要求.     

积分球辐射光源照度均匀性研究

针对CCD等焦面阵列光电器件常被置于积分球辐射光源出口平面进行测试的误区,研究了积分球辐射光源照度分布的均匀性,得到了合理使用积分球光源测试光电器件的依据。基于数值解析方法和蒙特卡罗方法,建立了理想积分球辐射光源照度均匀性数学模型和非理想积分球辐射光源照度均匀性仿真模型,分析了与积分球光源出口不同距离处光电器件受光面上照度分布情况,并实验测试了两套积分球辐射光源照度分布情况,得到了与积分球辐射光源不同距离处光电器件受光面上照度均匀性分布规律。研究表明:当光电器件受光面直径小于积分球光源出口直径一半、光电器件和积分球出口之间的距离与积分球出口直径的比值在3至5之间时,可在光电器件受光面上获得均匀性优于99%的照度场。     

用于深空探测的宽谱段大视场小型光学系统设计

设计了一种宽谱段、大视场、轻小型成像光学系统.系统焦距为35mm,相对孔径为1∶7.5,工作谱段为0.4~0.9μm,全视场为2ω=60°,采用复杂化双高斯结构,透镜面形均采用球面设计,实现系统总长115mm,在70lp/mm处,最低光学传递函数大于0.45.利用负畸变法、像差渐晕法改善广角系统像面照度均匀性,使像面边缘视场照度达到中心视场的80%.像面照度不均匀性为8%,系统热光学性能良好,在0~40℃范围内均有较好的像质,满足深空探测需求.     

微光ICCD参数校准装置的弱光均匀光源系统

在微光ICCD参数校准装置中,为了获得分辨力、信噪比、最低照度及像面均匀性等参数测试中光源输出不同光照度,需要大动态范围积分球微弱光均匀光源。通过对传统的光源结构以及存在的局限性进行分析,根据微光ICCD综合参数测试中对光源照度的不同要求,设计了弱光均匀漫射光源系统。光源系统采用双积分球模式,利用楔形渐变光阑及可变孔径光阑实现在色温恒定下照度的连续变化,形成不同照度范围的均匀漫射光源,对微光ICCD参数校准装置的弱光均匀漫射光源照度输出范围及均匀性进行了测量,得到该光源的出射光照度范围为（10-7～103）lx,出射光照度均匀性优于98%,光源满足微光ICCD性能参数测试的要求。     

星载多角度偏振成像仪光学系统设计

星载多角度偏振成像仪是一种超广角画幅式低畸变成像的偏振传感器。介绍了多角度偏振成像仪的基本工作原理,从保证偏振测量精度和大视场成像质量要求出发,分析了光学系统的设计难点及光学系统的结构型式,最终采用了反远距型像方远心光路结构。根据光路结构的像差特点,采用非球面镜校正畸变及像散,改善像面照度的均匀性,依据这样的思路,运用光学设计软件对多角度偏振成像仪的光学系统进行了光线追迹和优化,其工作光谱范围为420~930 nm,全视场角为118.74°,焦距为4.833 mm,相对孔径为1:4,并对设计系统进行了像质评价,结果表明,光学系统的传递函数在全视场大于0.5@22.22 lp/mm,最大畸变为0.9669%,像面相对照度均匀性高于97%,经过光学系统的加工制造装调,成像质量满足实际任务要求。     

双谱段全景电晕探测光学系统

为扩大电晕系统探测范围、提高实时探测能力,采用折反射全景结构建立了一种新型双谱段("日盲"紫外/可见光)电晕探测系统.介绍了双谱段折反射全景电晕探测系统工作原理,并根据系统要求确定了镜组结构及子系统光学参量.在分析折反射全景系统像差特性的基础上,研究了折、反射子光学系统间像差补偿及照度均匀性改善方法.完成了视场角为360°×(45°～90°)、相对孔径1∶2的双谱段全景电晕探测光学系统设计.分析结果表明:"日盲"紫外全景系统各视场能量集中度100%弥散圆直径均小于紫外ICCD像元尺寸30μm;可见光紫外全景系统各视场MTF0.5@83lp/mm.像面照度均匀性优于99.8%;满足了大视场,大相对孔径及高均匀性像面照度等电晕探测需求.     

红外目标模拟系统DMD成像非均匀性分析及校正

基于数字微镜阵列（DMD）的红外目标模拟系统具有高分辨率、高帧率和大温度范围等优点,能够经济、有效地检测和评估红外探测系统的工作性能。为了研究基于DMD的红外目标模拟系统中照明系统的结构设计对成像均匀性的影响并减小像面照度不均匀性,提出了一种消除成像不均匀的方法,对DMD照明系统的结构参数进行了分析和设计,以成像光束截面积之比作为相对照度指标,建立了数学模型,用软件进行数值仿真,得到了能消除因渐晕导致的照度不均匀现象的结构参数和像面各点相对照度分布在88.75%～1;并用TracePro验证了理论分析的结果,得到像面各点相对照度分布在90.91%～1,与理论分析结果相符,证明了在DMD照明系统结构参数设计合理的情况下,该方法可以有效降低因渐晕导致的像面照度不均匀性,为红外目标模拟系统结构参数的设计和像面照度分析提供了参考。     

Illumination technique based on integrating sphere with an unequal radius, hyper-uniform luminance and large-field angle

In order to meet the measurement requirements of image sensors’ uniformity of the CCD system with a large-field angle, the design for the form and structure of the integrating sphere, with 600–800 mm and hyper-uniform luminance double hemisphere is presented. LightTools software is used for simulation. The simulation result indicates that the compact structure of the integrating sphere with asymmetric double hemisphere renders both the design values and systematic performance parameters superior to those of the common integrating sphere. The integrating sphere system designed is manufactured and its optical parameters are tested. The test result indicates that at the outlet of the integrating sphere, the variation of illuminance is less than 2.3%, and the variation of luminance on the inner surface is less than 4.4%. Hence, it is concluded that this system can be widely utilized in measuring image sensors’ uniformity of the photoelectric imaging system with a large-field angle.     

像增强器综合测试用光源照度调变技术研究

为了获得微光像增强器综合性能测试中光源输出不同光照度,对传统的光源结构以及存在的局限性进行了分析.根据综合性能测试中对光源照度的不同要求,借助积分球对光线的漫反射作用和微度计控制光栏改变光输入量的连续性,解决了光源输出光照度大范围连续调变功能的问题,对改进后的光源照度输出范围及均匀性进行了测量,得到该光源的出射光照度为2.5×10-5 lx～680 lx,出射光均匀度为2.3%,该方法适用于像增强器的各种性能参数测试.     

级联积分球辐射源角度均匀性研究

为了设计和制造高角度均匀性的积分球辐射源,需要提供优化的设计参数。基于空腔的辐射传输理论,建立了基于级联积分球结构的发光单元光出射度分布的仿真模型,并获得了朗伯型发光单元安装位置和级联积分球辐射源角度均匀性之间的关系。仿真结果表明：理想情况下,采用2个朗伯型级联子球作为发光单元,对称安装在与级联积分球辐射源出光口法线方向成10°夹角位置时,通过球心与出光口法线方向成±20°夹角观测区域内的角度均匀性可以达到0.03%的水平。最后,通过实验测量级联子球在30°夹角位置时级联积分球辐射源的角度均匀性,发现实验结果与仿真结果接近一致。因此,通过优化发光单元的类型和安装位置,可以有效提升积分球辐射源的角度均匀性。     

紫外ICCD面均匀性测试技术研究

以辐射度学为理论基础,研究了紫外ICCD(UV-ICCD)面的响应均匀性测试技术。论述了200～300nm UV-IOED面均匀性的测试方案。使用入射口径为100μm的光谱仪对UV-ICCD靶面处的均匀性进行了测试。测试结果表明,靶面处辐照度场的不均匀性不高于1.6%。在对靶面处的均匀性进行测试的基础上,对UV-ICCD面的均匀性进行了实际测量,并进行了不确定度分析。结果表明,该方案可应用于UV-ICLD光电探测器件的面均匀性测量。     

CCD摄像机TDI模式及实时显示技术研究

叙述了CCD摄像机作为微光夜视探测的TDI(时间延迟积分 )特性及实时显示多帧累积后目标图像的技术 ,利用CCD摄像机的外触发控制系统和EPLD可编程逻辑器件实现图像的TDI累积。可获得当CCD靶面照度为 3 7×10 -5lx下静态目标达到 3 0 0TVlines分辨率的图像。给出标准的视频信号输出及实时显示。     

基于高速CCD成像的动态变形检测方法

针对测量设备和载体平台需要进行动态基准传递的问题,介绍了利用高速CCD进行成像的变形检测方法,将载体的变形转换为分划板图像上的平移和旋转大小,进行三维的姿态解算。仿真结果和实际成像检测试验表明,在载体角度变形≤±10′的条件下,其横摇、纵倾方向检测精度可达2.8″,偏航方向检测精度可在1′以内。     

Analyses of pseudo-nondiffracting beams at oblique incidence

We design three types of diffractive optical elements (DOEs) which generate pseudo-nondiffracting beams (PNDBs) in different regions by using the conjugate gradient method. In order to analyze the influence of the tilt angles of the DOEs, the coordinate-transformation method is used to simplify the calculation. The uniformity of the out-coupling illuminance along the optical axis is calculated. The analyzed results show that when the tilt angle increases, the uniformity in the region [140 mm, 200 mm] has more violent fluctuations than those in the regions [280 mm, 340 mm] and [380 mm, 520 mm]. The analyses also reveal that the uniformity of DOEs with a longer focal length is less sensitive to the tilt angle, and some points within the PNDB region have small variations of axial illuminance while the tilt angle increases.     

Computer modeling of a large-area integrating sphere uniform radiation source for calibration of satellite remote sensors

To meet the pre-launch radiometric calibration requirements of large field of view (FOV) imaging remote sensors, a large-area integrating sphere uniform radiation source (ISURS) based on a 1600 mm diameter internally illuminated integrating sphere with a 620 mm diameter exit port was designed. The software TracePro based on ray-tracing method was applied to computer modeling of the ISURS. It is shown that the angle of internal radiation source from the center of the sphere is an important factor affecting the spatial radiance uniformity at exit port. Taking this factor into account, the model established is able to obtain the important characteristics of the sphere source. With the characteristics obtained, the ISURS was manufactured and its optical parameters were measured. The measurement result of the spatial radiance uniformity of the large-area ISURS was 99.19%. There is a discrepancy of 0.12% between measured and simulated results. It is demonstrated that the method used and the model established can increase the efficiency of designing large-area sphere radiation source.