基于PSD的微摆镜角度自准直测试系统设计

基于压电陶瓷的微摆镜是一种典型的二维角驱动部件,微摆镜系统的实用化需要进行微角度的测量,以便得到驱动电压与微偏转角之间的对应关系。设计了一种基于位置敏感探测器(PSD)的微摆镜角度测试系统,应用激光自准直原理,采用两次45°折返式结构,缩小了系统的体积并解决了传统折返式系统难以精准搭建的问题;采用多层前馈神经网络法对PSD进行了非线性校正,修正后整个系统的测量精度可达0.5″,测量范围为±400″。符合微摆镜角度测量的要求。     

纵向莫尔条纹在自准直仪中的应用

为了提高自准直仪的分辨力,将纵向莫尔条纹引入到光路中,用长光栅代替传统单狭缝,将长光栅成像在CCD检测器上,CCD作为标尺光栅,通过两个光栅叠加形成的莫尔条纹的变化可以将成像位移分辨率提高到亚像元,进而将自准直仪的角度分辨率提高到毫秒级.实验结果表明,相对于直接检测狭缝边缘的方法,莫尔条纹法的分辨力提高了25倍.     

基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器光学系统设计

分析传统直射式和斜射式激光位移传感器的特性,结合两者的优势,设计了一种基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器。在结构上,利用直线结构取代了大三角的光路布局,形成自准直式光路结构。引入分光比50%的分束镜,与光轴成45°角放置,将会聚透镜和成像透镜合为一枚,并使聚光镜、分束镜和光电探测器共轴,简化了系统结构,减小了仪器体积,同时,推导了符合自准直原理的Scheimpflug条件。利用光学设计软件Zemax对光学系统进行仿真,系统采用单透镜的结构形式,前表面为Forbes非球面,入瞳直径像质量和系统尺寸均达到最佳。该系统具有测量范围大、分辨力高、结构尺寸小、光能损失小等特点,通过实验与Keyence激光位移传感器比较,该系统能够保证测头分辨力1μm、综合检测精度±2μm的技术指标。     

基于衍射元件的长焦距中波红外连续变焦光学系统设计

设计了一种基于衍射元件的长焦距中波红外连续变焦光学系统,焦距为70-800mm,11．4倍连续变焦。该系统采用二次成像技术,具有100％冷光阑效率,公差分配合理,没有冷反射和鬼像。在空间频率16lp／mm处,所有焦段的MTF值均大于0．5。采用衍射元件,提高了光学系统的像质,减小了光学系统的体积和重量,采用凸轮变焦,光机结构紧凑、重量轻。     

大F数长焦距空间相机光学系统设计

随着空间技术的不断发展,地元分辨率不断提高,空间相机光学系统的设计不断提出新的要求。分析了长焦距空间相机光学系统设计过程中需要考虑的问题,研究了大F数、长焦距空间光学系统的设计原理,并进行了光学系统设计。设计了谱段位于500~800 nm,焦距f=7200 mm,F=14.4的大F数、长焦距的折轴三反光学系统。结果表明,光学系统视场角达到1.6°,在450 km的轨道上,地面幅宽可以达到12.5 km,像元尺寸为10μm时,地面像元分辨率达到0.62 m,当中心遮拦为6%时,Nyquist频率(50 lp/mm)处调制传递函数(MTF)优于0.38,成像质量达到衍射极限,光学系统畸变量优于0.5%,可以满足高分辨率空间相机对地观测的使用要求,同时也验证了大F数、长焦距光学系统的设计原理。     

一维PSD瞬态响应特性的有限差分方法研究

基于有限差分方法,提出了一种新的PSD RC网络传输线模型模拟算法.利用该算法,得到了一维PSD在不同光信号激励下,从开始响应到进入稳态后的各个阶段的精确数值解.揭示了PSD电极对不同照射点的起始响应时间的差异正相关于光入射点与PSD几何中心之间的距离.在高速瞬态探测时,PSD器件参数限制了激励光脉冲信号的频率,其最高调制速率为1/(3.75Tc).模拟计算结果证明了PSD稳态位置响应结果与入射光类型和时间无关.     

轻小型短波红外自准直高光谱成像仪设计

随着搭载平台技术的不断进步,对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求,轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题,本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导,得到满足高光谱分辨率、小尺寸要求的自准直系统的初始结构,并逐步进行优化。同时,在狭缝处引入一块平面反射镜,对望远系统进行折叠,避免狭缝与探测器干涉,并进一步压缩系统的尺寸。最终设计的成像光谱仪工作波段为1610～1640 nm,F数优于3,在奈奎斯特频率为20 lp/mm时,调制传递函数（MTF）均优于0.8,全视场均方根半径（RMS）均小于7μm,光谱分辨率均优于0.1 nm。光学系统尺寸优于460 mm×150 mm×150 mm。本文研究为短波红外波段高光谱探测成像光谱仪实现轻量化、小型化设计提供了一定的理论基础。     

长焦距超高倍率变焦距光学系统设计

为设计一套焦距17～1 700mm的长焦距、超高倍率变焦距光学系统,首先在合理选择初始结构基础上,通过比较高斯光学计算结果找出高斯解对系统性能的影响规律,从而确定系统的关键参量;然后通过分析各组元相对孔径和像差特点选定结构形式,并进行系统像差的校正和优化.设计结果系统光学总长760mm,各焦距位置全视场50lp/mm处MTF>0.3,各项指标满足系统要求.     

环形孔径长焦距光学系统

介绍一种可望用于空间相机的环型孔径长焦距光学成像系统,也是稀疏孔径的一种。光线通过最外面的环形孔径进入光学系统,经过一系列的同轴环形反射镜多次折转,最后通过补偿镜成像在光学系统的像面上。此类系统具有较大的遮拦比,可以在有效减少空间望远系统的厚度和体积的同时保持较好的成像质量,可望用于微小卫星高分辨率光学有效载荷。给出了光线经过6次反射的一种长焦距光学系统设计结果,并对其进行了像质评价和公差分析。     

共轴偏光瞳宽视场折轴三反射光学系统设计

共轴偏光瞳系统克服了共轴系统视场角有限,离轴系统加工和装配困难等缺点,能更好满足空间对地观测等领域的要求.由共轴三反系统求解共轴偏光瞳无遮拦三反射镜光学系统的初始结构参数,设计了焦距为3 000 mm,F数为10的共轴偏光瞳的三反射光学系统.设计结果表明:该系统视场角达8°×0.8°,空间频率50 lp/mm,调制传递函数值均大于0.55,接近衍射极限,满足系统对成像质量的要求.     

三反射镜空间遥感器的光学设计

通过选取三镜消像散(Three-mirror anastigmat,TMA)的结构形式介绍了共轴系统离轴使用的方法。TMA系统由三个二次曲面镜、一个变形镜和一个快速稳像镜构成。根据三镜系统的初级像差理论推导出了系统的初始结构,利用自动光学设计软件Zemax对初始结构进行了像差优化设计。采用两种优化方法来保证系统的出瞳与变形镜重合,以便于校正主镜的剩余误差。所设计出的光学系统的成像质量可接近衍射极限,满足了系统对成像质量的要求。     

激光微角偏移测试系统研究

针对火炮出厂前的校瞄工作存在自动化程度不高、测试结果分辨率和精度低的缺点,设计了一种新型激光微角偏移测试校瞄系统。该系统由位置灵敏探测器(PSD)、准直平行激光管与二维精密旋转控制器构成。采用光电转换和信号处理技术,可实时获取火炮身管轴线的微角偏移量;利用相对简单的方法完成了高精度的测试,有效地改善了传统校瞄方法的不足。实验测试结果表明,该系统可在炮管仰角0°~70°范围内全程测试微角偏移量,其分辨率可达到0.001°,可广泛应用于不同口径火炮身管轴线的校瞄工作中。     

基于位置敏感器件的光学法盐度检测技术研究

盐水浓度的变化会引起其对光的折射率的变化 ,对于固定的倾斜入射光线 ,折射率的变化会导致出射光线发生偏移 ,利用位置敏感器件 (PSD)检测光线偏移量的大小 ,便可以得到待测盐水的浓度。基于差动折射率测量原理 ,引入了一个装有蒸馏水的参考水槽 ,从而有效地减小了温度漂移对盐度测量带来的影响。初步的实验结果表明了方法的正确性 ,盐度测量的分辨力可达 0 .0 12‰ ,重复性精度好于± 0 .3‰。对测量数据做了详细的论述 ,并对影响测量精度的一些主要因素进行了细致的分析。结果表明 ,该方法的温度漂移和光源强度变化对测量结果的影响很小。     

一种基于PSD的光电自动校炮装置

自动校炮技术对于实现坦克火炮校炮过程的自动化、智能化和提升射击精度具有重要意义,提出一种基于PSD（位置灵敏探测器）的光电自动校炮装置, 该装置以PSD为光电探测器件, 采用光电转换和信号处理技术, 实时自动获取坦克炮口弯曲变形量并给出火炮射击的修正量, 实现误差修正和车内自动校炮。该装置在不同初始位置和不同射角下,可达到0.1 mil(mil,炮兵测距用的角度单位,1 mil=0.060.001 rad)的修正精度。     

枕型二维位置敏感探测器的研制

证明了枕型二维位置敏感探测器设计的基本原理———Gear定理,并推导了适用于枕型二维位置敏感探测器的位置计算公式,此外还提出了枕型二维位置敏感探测器的制作工艺和测试结果。采用集成电路工艺所研制的枕型二维位置敏感探测器(光敏面为8 mm×8 mm)表现出良好的光电特性,当反偏为5 V时其暗电流约为15 nA,峰值时的光谱灵敏度超过了0.6 A/W。在所测量的 75%光敏区域内,均方根位置误差约为 0.135 mm,而以均方根位置误差表示的非线性度在1.1%左右,比四边形二维位置敏感探测器的位置线性度提高了近一个数量级。     

大孔径长焦距摄远物镜光学系统设计

对于长焦距摄远光学系统,大相对孔径意味着成像亮度更加优秀,但是也伴随着孔径边缘像差变差而难以校正的难题。利用折反系统减小光学系统总长,采用反射结构为基础,搭配前后两组校正镜构成光学系统,设计出大相对孔径,总长较短的摄远光学系统。光学系统工作波段为可见光波段,焦距1 000 mm,F数2.1,摄远比0.52,光学总长远小于焦距,遮拦比45%,全视场MTF在空间频率80 lp/mm处大于0.3,像面直径11 mm。该光学系统镜片全部采用球面镜,光学系统由2片反射镜和7片透射镜组成,结构紧凑,成像质量好。对摄远物镜进行公差分析,得出该设计公差较宽松。     

一种塑料非球面门镜光学系统的设计

介绍了一种塑料非球面门镜的设计原理及方法。把门镜视为逆向伽俐略系统来确定外形尺寸参数 ;仔细选取系统的光阑位置 ,选取二次曲面的系数及二次曲面的位置 ,可以校正系统的参差及像散。设计的门镜比现有的多种专利门镜结构简单、成像清晰。其视场中心像质达到了人眼明视距离处的极限分辨率。     

红外耦合光学系统设计

红外目标模拟器由红外目标图像发生器和投影光学系统组成。该红外光学系统是一个要求与2个导引光学系统的光学技术参数相匹配的长焦距、大视场和具有像方远心光路的中红外光学系统。叙述用于红外目标模拟器的红外耦合光学系统的设计原理，提出它与导引光学系统一起可组成放大倍率M=4.5×的红外投影光学系统，并指出IR CRT产生的图像通过红外投影光学系统可成像在导引接收器上。针对给出的红外耦合光学系统的设计特点和技术要求，光学材料选取硅（Si） 锗（Ge） 硅（Si），采用简单的柯克三片式结构完成光学系统设计。设计评价结果表明，该系统的光学性能和成像质量均满足设计指标要求。     

长焦距光学系统杂光系数测量的新方法及其理论分析

在分析现有杂光系数测量的基础上，提出了一种新的长焦距光学系统杂光系数测量的方法，并对这种方法进行了理论分析。