用于几keV能点动态成像诊断的KB-KBA混合型光学系统设计

围绕激光ICF研究中几keV 能点的动态成像诊断需求,提出了具有大视场、高空间分辨、高集光效率和谱分辨特性的新型KB-KBA混合型光学结构。该结构以子午方向上两块单层膜球面镜校正像差,实现大视场内的高空间分辨;在弧矢方向上用一块多层膜球面镜聚焦,以保证较高的集光效率和谱分辨能力。该结构克服了传统单层膜和周期膜KBA结构在几keV能点动态成像诊断中存在的集光效率低,强度不均匀和有效视场受限等不足。针对2.5 keV和4.3 keV两个能点,给出了光学初始结构和膜系的设计,建立了考虑膜系反射性质的光线追迹模型。模拟结果表明,该KB-KBA混合型结构在子午方向1.4 mm视场内空间分辨均优于5 m,有效集光效率优于210-7 sr,可以满足动态成像诊断的需求。     

4.75 keV能点四通道Kirkpatrick-Baez显微镜

基于CH柱形靶压缩实验的时间分幅诊断需求,研制了4.75 keV能点四通道Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜。进行了四通道KB系统的光学设计、像质模拟和分析。采用支撑锥芯的方式解决了四通道KB物镜的集成装配问题,并通过4.75 keV+8 keV双能点多层膜完成了实验室内的KB系统装调。该套系统在神光Ⅱ装置成功进行了像质考核实验,获得了高分辨的四象限网格图像,成像间距符合设计要求,具备了开展时间分幅惯性约束聚变物理实验的条件。     

4.75 keV能点四通道Kirkpatrick-Baez显微镜

基于CH柱形靶压缩实验的时间分幅诊断需求,研制了4.75 keV能点四通道Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜。进行了四通道KB系统的光学设计、像质模拟和分析。采用支撑锥芯的方式解决了四通道KB物镜的集成装配问题,并通过4.75 keV+8 keV双能点多层膜完成了实验室内的KB系统装调。该套系统在神光Ⅱ装置成功进行了像质考核实验,获得了高分辨的四象限网格图像,成像间距符合设计要求,具备了开展时间分幅惯性约束聚变物理实验的条件。     

基于非周期多层膜的X射线成像研究

设计了惯性约束聚变（ICF）诊断实验用X射线Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜,给出了系统的结构参量.使用ZEMAX光学软件对KB型显微镜进行了性能模拟,结果表明：在8 keV能点,放大率为8倍时,轴上点的最佳空间分辨率小于2 μm,200微米视场的空间分辨率优于10μm.采用磁控溅射方法制备了W/B4C非周期多层膜,经X射线衍射仪（XRD,工作能量8 keV）测量,其反射率为20％,带宽为0.3°,达到了KB型显微镜成像系统的要求.使用Cu靶X射线管进行了成像实验,得到了放大倍数分别为1倍和2倍的一维X射线像.     

用于平面靶X射线诊断的1维KBA显微镜

对用于神光Ⅱ装置4.75 keV能点平面靶成像诊断的1维KBA显微镜进行了实验研究。基于空间分辨力和工作环境要求,设计了1维KBA显微镜的光学结构,并与传统KB显微镜的成像性能进行了对比分析。设计和制备了可同时工作于8 keV和4.75 keV能点的双能点多层膜KBA物镜,解决了系统装调问题。利用神光Ⅱ装置第九路激光打击Ti靶产生的X射线作为背光源照射1 500目金网,进行了4.75 keV网格成像实验,结果表明：在整个背光源照明区域内,系统的实际分辨力约为4 m,系统的有效视场受背光源大小的限制。     

用于平面靶X射线诊断的1维KBA显微镜

对用于神光Ⅱ装置4.75 keV能点平面靶成像诊断的1维KBA显微镜进行了实验研究。基于空间分辨力和工作环境要求,设计了1维KBA显微镜的光学结构,并与传统KB显微镜的成像性能进行了对比分析。设计和制备了可同时工作于8 keV和4.75 keV能点的双能点多层膜KBA物镜,解决了系统装调问题。利用神光Ⅱ装置第九路激光打击Ti靶产生的X射线作为背光源照射1 500目金网,进行了4.75 keV网格成像实验,结果表明:在整个背光源照明区域内,系统的实际分辨力约为4 m,系统的有效视场受背光源大小的限制。     

KBA显微镜成像系统的成像模拟及X光成像实验的研究

KBA显微镜是一种非轴对称、非共轴的掠入射成像系统。其结构复杂,调节精度要求很高,在实际成像实验操作中难以掌握其成像特性。利用光学设计软件模拟其成像,对系统的调节和成像分析提供有益的参考。利用光学设计软件ZEMAX模拟了KBA显微镜对点源的成像过程,给出了KBA显微镜成像系统的焦深约为1 mm,景深为50 mm左右。并且由模拟可知,掠入射角对成像的影响很大。对像素尺寸约10μm的探测设备,模拟得出KBA成像系统的空间分辨力上限为3μm左右。基于星光Ⅱ装置对周期为20μm的网格靶成像,获得了KBA显微镜较为清晰的X光图像。该项工作为进一步开展掠入射成像系统的研究奠定了基础。     

水下仿生偏振成像光学系统设计

在水的光学特性影响下,为了对水下目标进行实时探测,通过研究螳螂虾视觉偏振成像原理,仿照其独特的复眼结构,充分利用分振幅和基于孔径分割技术,设计了一种新型的水下实时偏振成像系统。采用四通道阵列结构和双通道阵列相结合,用圆偏振技术和线偏振技术对水下目标进行实时成像。通过Zemax软件实现该系统设计,系统焦距为35 mm,F数为4,工作波长为可见光波段486 nm~656 nm,半视场角为±2.5°。设计结果表明:MTF>0.7(@60 lp/mm), 系统弥散斑 < 9 μm, 畸变小于0.5%,可满足成像要求。     

编码孔径成像光谱仪光学系统设计

本文设计了一种以双Amici棱镜为分光元件的成像光谱系统,该系统主要包括前置望远物镜、编码板、双Amici棱镜、准直镜和成像镜.此类光学系统可以获得很高的衍射效率,相比于狭缝结构的成像光谱系统,该光谱仪为两维空间扩展的视场,无疑增加了设计难度.后期的数据反演算法对一次像面编码板的成像效果过于依赖,基于此,对光学系统的像差校正提出了更高的要求.本文设计、分析了基于双Amici棱镜的成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统.前置望远物镜的设计为像方远心,MTF在39线对处,达到0.8,成像质量良好.创新性的将前置望远物镜倒置用做准直系统.全系统各个波长在39线对处的MTF值均在0.65以上.对室外目标景物进行推扫成像,从获得的成像数据判断,本文设计的编码孔径成像光谱仪原理可行,衍射效率高,全视场成像质量良好,全谱段光谱数据可信.     

红外成像光学系统无热化设计

介绍了光学系统无热化设计的常用方法及设计原理。为满足军用光学系统的工作要求,采用较优的光学被动式补偿无热化设计方法,设计了一个红外光学系统。该系统在-40～60℃温度范围内成像质量接近衍射极限,且结构简单、重量轻、易于加工,可应用于红外导引头光学系统。     

KBA X射线显微镜分辨力模型

综合考虑了几何像差、衍射效应和加工精度等因素对KBA X射线显微镜分辨力的影响,构建了分辨力模型。通过光线追迹模拟得到了不同视场位置的边缘响应函数,以20%～80%的评价标准确定了几何像差分辨力。由构建的空间分辨力模型得到理论分辨力。KBA X射线显微镜整个视场几何像差分辨力、理论分辨力和实测分辨力基本一致。用单层膜KBA 显微镜获得的X射线成像结果,得出中心视场的分辨力约为4 μm,±100 μm视场的分辨力优于5 μm。实验结果表明,几何像差对空间分辨力影响权重相对较大,是影响空间分辨力的决定性因素,其它因素的影响相对较小。     

激光等离子体诊断用Wolter型X射线显微镜的设计

围绕着稠密等离子体硬X射线成像诊断,提出了一种基于阿贝正弦条件的Wolter型X射线显微镜的光学系统设计。详细介绍了Wolter显微镜的结构特点和设计方法,进行了参数优化,定量分析了包括物距、放大倍数、掠入射角和双曲面镜镜长在内的初始结构参数对物镜性能的影响。由光线追迹可以得出,在约±260 μm的视场范围内分辨率优于1 μm;在±460 μm范围内优于3 μm。有效视场可达约1 mm,几何集光立体角约为6.1×10^-5sr。同时,该系统具备平响应系统特性,在mm级的视场范围内,系统响应效率的一致性优于93.7%。     

非共轴掠入射KB与KBA X射线显微镜的成像特性分析

由于X射线在介质中被强烈地吸收,加之介质的折射率在X射线波段略小于1,这些因素给X射线成像增加了很多难度,常规的成像方法难以适应X射线波段,目前多采用掠入射反射成像和编码孔径成像方法。详细分析掠入射情况下单镜及双反射镜的成像特性,对组成KBA显微镜的反射镜在掠入射条件下的焦距、视场倾斜、光阑位置等进行研究。研究结果表明：对于双反射镜结构,掠入射角为双反射镜夹角1/2时视场倾斜最少,光阑放在第2个镜子上成像质量优于放在第1个镜子上。最后分析KBA显微镜结构安排的合理性,从而为KBA显微镜设计和加工提供理论依据。     

周期多层膜Kirkpatrick-Baez显微镜成像性质分析

分析了Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜的成像性质与周期多层膜元件间的关系。基于分辨力和集光效率要求,设计了KB显微镜的光学结构,模拟了KB系统的成像质量,用W/B4C周期多层膜反射镜进行了X射线成像实验,在±100 μm视场内得到优于5 μm的空间分辨力结果。实验与模拟结果的对比表明,加工精度和球差是影响中心视场分辨力的关键因素,有效视场的大小受多层膜角度带宽的限制。     

高动态范围激光等离子体诊断系统及其在惯性约束聚变实验中的应用

基于高功率激光等离子体X射线辐射谱特性,设计和研制了一种大画幅高动态范围MCP选通型分幅相机. 单画幅宽度13mm,长度36mm,曝光时间0.5—5ns可调.与X射线CCD比较,系统在1.0—10keV的谱响应相对平整,无高能增强效应.利用高功率激光打靶实验进行了性能考核实验,结果表明,系统的信噪比明显好于X射线CCD系统,动态范围大于3×10³. 系统已经在神光Ⅱ装置ICF物理实验中获得成功应用. 关键词： 动态范围 谱响应 激光等离子体诊断 分幅相机     

时空联合调制成像光谱仪前置成像系统分析与设计

为满足红外成像光谱仪大光通量、高稳定性的应用需求,提出了一种基于多级阶梯微反射镜的静态化、无狭缝式、新型红外时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪结构.对其工作原理和光程差的产生方式进行了分析.作为该成像光谱仪的重要部件,前置成像系统决定了光程差的分布,其性能直接影响到目标物体的图像质量.根据系统光程差的产生方式,分析和设计了像方远心光路结构的前置成像系统.利用被动光学消热差方法对前置成像系统进行了消热差研究.结果表明:当温度在-20—60?C的范围内时,各个视场的调制传递函数均达到衍射极限,在多级阶梯微反射镜的总阶梯高度范围内成像质量良好;在不同的温度下,各视场处主光线在像面上的最大入射角小于0.02?.     

Modified spin filter for noise reduction in aerodynamic imaging

A new filtering algorithm was developed for the removal of random noise from digitally imaged aerodynamic flow structures while minimizing geometrical distortion of their shapes. This is a modification of a spin filter previously presented. The algorithm defines a kernel around each pixel and detects the direction of the prevailing pattern passing through that kernel. The median grey level along this preferred direction is then used to replace the grey level recorded by the pixel at the centre of the kernel. Applications of this filter were demonstrated by processing shadowgraph images of shock waves. The noise as measured by the standard deviation from the mean was reduced by nearly 50% after one application of the filter and by nearly 70% after three applications, while distortion of the imaged shock angle remained below the angle measurement uncertainty.