Design strategy for broadband or dual-band ultrathin imaging system

Using reflective multiple-fold approach can reduce bulk and weight compared with large high-quality optical systems and improved resolution and light collection compared with miniature conventional systems. Air-spaced concentric multi-reflection (ACMR) systems, where two reflective surfaces surround a hollow cavity, are useful for extended focal distance, achromatic aberration, useful for inexpensive, lightweight IR imagers and may lead to convenient designs for broadband or dual-band imagers. Design a camera, which spectral response 2?12 μm, with a total thickness of 30 mm, 130 mm effective focal length, ±4.2° FOV, 0.022 mrad resolution and 68 mm effective aperture, 96 mm outer aperture. Application can fit into the hull or wing of a micro-UAV aircraft, which weight and thickness are tightly constrained, for long range surveillance.     

轴对称综合孔径光学系统的调制传递函数和成像性质

综合分析目前各种综合孔径光学系统的结构和成像特征,并对它们作了比较。使用数值模拟方法,对单环轴对称综合孔径光学系统和双环结构的轴对称系统进行分析,研究了轴对称综合孔径光学系统的结构形式及其调制传递函数(MTF),并对其成像性质作了评估与比较。讨论了一种4+2双环结构的轴对称综合孔径系统的结构形式,对其成像特点作了详细描述,最后运用图像复原维纳滤波器对系统成像图做了处理,以使这种轴对称综合孔径系统具有更理想的成像效果。     

太赫兹综合孔径近场成像系统设计

根据太赫兹成像兼具微波穿透特性和红外线高分辨率成像的特点,在红外与毫米波成像系统的基础上,提出一种近场太赫兹波被动干涉合成孔径成像系统的设计方案,并对其实现方法进行了分析。系统采用二维波束扫描天线结构实现综合孔径成像,在保证高精度成像的同时降低了系统的复杂度。通过数值仿真对成像系统的成像性能进行分析,仿真结果表明系统具有较高的空间分辨率;并对系统的成像过程进行了模拟仿真,验证了系统的可行性。     

红外光电成像系统MTF测试技术分析

调制传递函数是评价红外光电成像系统整机成像质量的重要指标之一。通常MTF的测试方法有狭缝法和刀口法等。详述了倾斜目标靶（斜狭缝和斜刀口）测试MTF的测试原理,并且对该两种方法进行了比对实验。提出一种改进刀口法,将多行数据刃边对齐并排列成一行数据作为刀口扩散函数,能增加采样点数和采样率并提高测试分辨率,进而得到刀口图像,对每行数据先微分得到各行LSF(线扩散函数),再对LSF多行数据构成的新图像按照斜缝法处理过程计算MTF。实验验证表明,该方法数据能够有效地降低在MTF测试过程中的噪声影响,与斜缝法MTF测试结果差值最大不超过7.5%。     

干涉成像光谱仪受卫星振动影响的仿真与分析

在干涉成像光谱仪扫描过程中,卫星姿态的不稳定性将严重影响光谱成像质量。针对该问题,在分析干涉成像光谱仪光谱成像退化机理的基础上提出了一种微分动态成像仿真方法,以此来模拟光谱成像退化过程。并提出了平均掺杂比的概念,通过它建立起卫星姿态俯仰、侧滚和偏航的运动参数与其对光谱成像影响之间的桥梁,详细推导了这两者之间的定量关系。以环境资源卫星提供的遥感数据为例进行了退化仿真,结果表明平台振动不仅影响光谱成像的空间分辨率,更会带来光谱失真,且相邻像元光谱差异较大的区域影响较大。通过仿真数据分析,对卫星姿态稳定精度提出了要求,给出了必须重视振动影响并需要采取相应补偿措施的姿态稳定度条件。     

太赫兹综合孔径近场成像系统设计

根据太赫兹成像兼具微波穿透特性和红外线高分辨率成像的特点,在红外与毫米波成像系统的基础上,提出一种近场太赫兹波被动干涉合成孔径成像系统的设计方案,并对其实现方法进行了分析。系统采用二维波束扫描天线结构实现综合孔径成像,在保证高精度成像的同时降低了系统的复杂度。通过数值仿真对成像系统的成像性能进行分析,仿真结果表明系统具有较高的空间分辨率;并对系统的成像过程进行了模拟仿真,验证了系统的可行性。     

非相干成像双目视觉系统的误差分析

影响双目视觉系统测量精度的因素很多,目前系统结构参数对测量精度的影响主要有光轴与基线的夹角、基线距离、水平视角、物距以及透镜焦距等。由于孔径尺寸直接影响成像分辨率,是决定双目视觉测量精度的核心因素,因此依据非相干成像理论,对双目成像过程进行仿真和实验,采用加速鲁棒特征算法对所成的图像对进行特征提取与匹配,获取其视差值,并且计算其视差均方根误差来表征系统误差。研究结果表明,系统误差随着透镜孔径大小的增大而减小,并且趋于饱和。该研究可以为双目系统设计过程中系统参数和孔径尺寸的选取提供理论和实验依据。     

地基多孔径成像系统验证实验设计

基于工程实践中高分辨率目标成像技术的需求,讨论了光学合成孔径成像技术的成像原理以及在提高成像分辨率方面的优越性,阐述了国内外在相关领域取得的科研成果及存在的技术难点。在现有加工工艺及装调检测条件下,设计了基于两个子望远镜的合成孔径成像实验。以斐索型多孔径望远镜为研究对象,从几何光学理论出发,讨论了地基斐索型合成孔径成像系统实验的可行性。分析实验中关键组件的调整精度,提出了合成孔径成像系统精确成像的方案。实验中设计了分辨率±0.03mm的微调机构来保证系统获得清晰的像,并使用分辨率达到0.05μm的压电直线精密驱动器来保证两束光相位同步。分析结果表明,本文设计的地基多孔径成像系统实验切实可行,可得到合成孔径成像系统分辨率的确切值,为进一步研究合成孔径成像系统奠定了基础。     

用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上,使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式,本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统,接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统,其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源,利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统,获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后,传输至0.5~5 km处的光斑分布情况,且激光波前像差RMS值均优于λ/20;对于接收系统,由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限,其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6,最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理,性能可靠,满足高能激光系统的工程应用需求。     

偏振干涉成像光谱仪的视场展宽设计与分析

为了在较大视场范围内获得干涉直条纹以提高干涉数据的提取精度,设计了一种基于组合Savart板的宽场偏振干涉成像光谱仪.组合Savart板由正负晶体制作的两个Savart板组合而成.文中推出了组合Savart板的光程差和横向剪切量与入射角的理论表达式,并给出了具体设计实例.计算机模拟分析结果表明,在光谱分辨率和晶体总厚度相同的前提下,组合式Savart板获得干涉直条纹的视场是传统Savart偏光镜视场的10倍. 关键词： 偏振成像光谱仪 Savart板 光程差 视场     

新型双通道差分偏振干涉成像系统

针对Wollaston棱镜和Savart偏光镜(SP)组合的差分成像光谱系统存在光线溢出和无法改变系统光程等问题,设计了一种新型双通道差分偏振干涉成像系统.此系统不仅可获取正交偏振图像,还可以通过调整Savart偏光镜的厚度来改变系统光程.介绍了该系统的结构、理论原理,并利用琼斯矩阵推导出四束偏振光线的复振幅及其相干光干涉强度表达式.分析了宽视场Savart偏光镜(WSP)和可调光程的Savart偏光镜(MSP)的分束特性,得出WSP相较于SP具有更好的剪切能力和WSP可优化系统光路的结论.获得了不同楔形结构角下MSP的光程差、横向剪切量随楔形移动量的变化曲线.通过实验验证,获取了不同剪切量下的干涉图像和复色光下平行、垂直分量的空间图像,进而获得了总的强度图像和差分强度图像.得出差分强度图像相较于偏振强度图像具有较高对比度的结论.研究结果对双通道成像光谱系统的性能优化具有一定的参考意义.     

环状干涉条纹成像技术的实验研究

 从傅里叶分析的角度来讨论环状干涉条纹成像的处理过程，并报道二维连续散射目标的成像实验。激光干涉条纹成像是利用激光源在空域形成的干涉条纹同目标间的相对运动来提取目标的图像信息。对利用环状干涉条纹的激光干涉成像，其机理常用全息理论来解释。     

基于卡塞格林系统的红外制冷型长焦分档变倍光学系统的设计

本文基于卡塞格林系统设计了红外制冷型长焦分档变倍光学系统,计算、推导了光学初始参数及组元的光焦度分配。采用了二次成像结构形式,主物镜组采用R-C光学结构用于缩短筒长,使用投影镜组解决冷屏匹配问题,利用调焦镜实现调焦,通过切换投影镜组后组实现变倍,然后对光学系统像差进行了优化设计,分别给出了长焦系统和短焦系统不同视场的成像质量优化结果,0.8视场内光学传递函数在空间频率17 lp/mm时均大于0.4。最后对主要结构进行了相应的精度分析,结果表明该设计能够很好地满足工程实际需要。     

偏振型干涉成像光谱仪中Savart偏光镜通光孔径的研究

论述了偏振型干涉成像光谱仪的核心部件——Savart偏光镜的结构和分光机理. 应用波法线追迹的方法, 对光在任意方位入射面内, 以任意入射角入射时Savart偏光镜中的光线传播规律及出射光孔径变化进行了理论推导, 给出了出射孔径与入射位置、入射角及入射方位角之间满足的关系, 并讨论了光线传播始终处于Savart偏光镜晶体内部, 最终从出射面射出所需满足的条件. 采用计算机模拟, 给出了光线垂直入射时, 出射孔径的表达式, 验证了推导的正确性; 在此基础上对自行设计的干涉成像光谱仪通光孔径进行了详细分析和讨论, 结果表明通光孔径精确值和近似值之间存在较大差异. 给出了孔径面积利用率随入射方位角的变化曲线, 阐明在干涉成像光谱仪的参数论证以及孔径光阑的选取中, 不能忽略由于晶体双折射现象带来的孔径变化. 研究结果可为偏振型干涉成像光谱仪的设计、研制、调试和工程化提供重要的理论依据和实践指导.     

时空调制型干涉成像光谱仪的强光干扰效应仿真研究

干涉成像光谱技术是利用光的干涉原理获取目标光谱信息的一种成像技术。为研究其在强光下的干扰效果和机理,以大孔径静态成像光谱仪为典型对象,开展了相关仿真实验研究。以实际地物的图像和光谱信息为对象,仿真生成了原始干涉成像图案,并模拟830 nm单波长激光和超连续谱激光两种干扰源,分别研究不同辐照强度下的典型干扰效果,分析时假设光谱角大于30°时原始光谱信息丢失。基于本文的仿真模型,得到的相关结果表明,在830 nm的单波长激光干扰情况下,当干扰与目标成像峰值之比大于0.2∶1时原始光谱信息无法正确复原（光谱角大于30°）,但模拟加入830 nm滤光片后,干扰效果被有效滤除。在超连续谱激光干扰情况下,不考虑饱和阈值时光谱角数值最终稳定在21°;考虑探测器饱和阈值为目标成像强度峰值3倍时,干扰与目标成像峰值之比大于2.1∶1时,原始光谱信息便无法分辨。该研究可能为同类型光谱仪的激光辐照效应和损伤机理的后续研究,以及光谱成像系统的激光防护和性能优化提供参考。     

推扫式光电成像系统调制传递函数测试装置的设计

光学遥感系统采用线阵CCD推扫成像方法获取地面景物的高分辨图像信息,调制传递函数(MTF)是评价系统成像质量的重要参数。使用矩形波板作为目标在Nyquist频率处测试光电成像系统的静态调制传递函数可以定量评价系统的成像质量。由于采用线阵CCD推扫成像的光电系统还需要测试其在像移补偿、偏流角控制状态下的动态调制传递函数(Dynamic MTF),才可以定量评价系统在工作状态下的动态成像性能。为此,论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理,研究了测试系统的组成与工作方法,对其中的平行光管组件与动静态目标发生装置进行了仿真设计。其中平行光管的波像差优于25 nm(RMS),静态目标发生装置的调焦精度优于3 m,动态目标发生装置的输出像移补偿偏差小于5/1 000,照明均匀性优于95%,可以理论上实现非相干照明。上述仿真设计结果可以满足新型光学遥感成像系统实验室内动静态调制传递函数的测试需求。     

光学合成孔径成像系统子孔径像差研究

根据波像差理论，推导了光学合成孔径成像系统单个子孔径存在各种像差时波面方差与子孔径数(N)的关系。推导结果表明，piston误差对系统的影响最大，其次是离焦误差、倾斜误差、球差、彗差和像散。运用离焦误差对piston误差、球差和像散进行像差平衡，其效果显著，特别是球差引起的波面方差下降90％。系统各项像差系数随子孔径数的增加而降低;当子孔径数大于6时，各像差系数变化缓慢。根据瑞利判据，计算N(N≤6)个子孔径合成系统的像差允限和相应的3孔径系统的斯特列尔比。     

偏振对光学系统成像质量的影响

通常情况下,评价光学成像系统像质的几个重要参数,如能量集中度(Strehl比)、分辨率、焦深等,都是以标量衍射理论为基础进行计算和分析的.考虑光波的矢量偏振特性,尤其是在高数值孔径系统中,标量衍射的精度已不能满足精度要求.本文讨论了在采用矢量衍射计算方法基础上,上述成像参数的变化,所讨论系统入瞳面各点为偏振方向一致的线偏光或部分偏光,以便于考察偏振对所述成像参数的影响,通过公式推导和数值计算,得出了由于偏振的影响.系统衍射斑能量极大值变小,像面和偏振平行方向分辨率降低,分辨率出现各向异性,只有系统焦深受偏振影响较小.而这些矢量效应会随着系统数值孔径的提高而愈加明显,因此在分析处理数值孔径较高的光学系统时必须使用矢量衍射方法.最后讨论了轴外点衍射斑的计算.     

小型Offner凸光栅光谱成像系统的结构设计及分析

根据小型Offner凸光栅光谱成像仪光学系统的特点,对其反射镜支撑结构和桁架结构进行了研究,完成了小型Offner光谱成像系统的结构设计,建立了系统的3D实体模型。为了验证结构设计的合理性,对设计的3D模型进行有限元分析。在模态分析中得到该结构的第一阶固有频率为362 Hz,高于系统设计要求的120 Hz;在加速度及温度载荷分析中,得到主要光学元件的面形值以及它们之间的相对位置变化,其离轴及偏角均在允许公差范围内,说明结构刚度满足使用要求,证明了结构设计的合理性。     

干涉成像光谱仪光通量的计算与分析

论述了干涉成像光谱技术的工作原理,采用光线追迹的方法对基于Sagnac棱镜和Savart偏光镜的干涉仪中的光线传播规律进行了分析,推导出了无狭缝式干涉成像光谱仪光通量的精确理论计算公式,并对干涉成像光谱仪中具有代表性的Savart型偏振干涉成像光谱仪光通量和改型Sagnac成像光谱仪光通量进行了分析比较.通过计算机模拟给出了系统光通量随入射角和波长变化的关系曲线.该研究对干涉成像光谱仪的研究和工程化研制具有重要的指导意义. 关键词： 干涉成像光谱仪 光通量 透射比