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。     

超轻小宽视场高分辨无人机机载相机光学系统设计

随着航空航天成像技术的发展,遥感成像观测系统需求不断增加,为了简化光学系统的加工装配复杂度,缩小光学系统体积,该文提出了一种低成本、小型化遥感成像光学系统设计方法。在全球面镜的基础上,配合氟化钙等低色散材料,设计了一种焦距2 000 mm,适用于5.08 cm（2 inch）探测器的光学成像系统,该系统在50 lp/mm处MTF（调制传递函数）优于0.41,体积与R-C系统接近,系统的球面主、次镜避免了在加工装调时使用非球面补偿器,降低了加工装调成本。同时设计了新型百叶窗遮光罩结构,有效避免了传统外遮光罩结构形式体积过大的问题,规避角大于12°后PST（点源透射比）值均小于10⁻⁶,且光学体积仅为ϕ227×421 mm³,远小于传统外遮光罩形式。该系统具有低成本、结构小型化、轻量化、像质优良、杂散光抑制良好等优点,在工程应用中可以满足航空航天成像系统的使用要求。

     

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。     

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。     

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PSDRC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.     

长焦距超高倍率变焦距光学系统设计

为设计一套焦距17～1700 mm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760 mm,各焦距位置全视场50 lp/mm处MTF＞0.3,各项指标满足系统要求.     

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。     

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。     

计算全息法测量长焦透镜面形和焦距

为了同时对长焦透镜的面形和焦距进行高精度检测,提出在Zygo干涉仪的球面光路中加入一个二元衍射元件作为检测件的计算全息法。 首先对计算全息法检测长焦透镜的面形和焦距进行了理论推导,并给出焦距误差公式。在Zemax中使用在平面基底上制作的二元衍射元件对一个长焦透镜的面形和焦距进行了模拟检测,其中对该长焦透镜面形的干涉检测PV值为0.0034λ,对焦距的检测精度为-0.11%。最后详细分析了两类误差对检测结果的影响,其中光学元件的位置误差影响不超过0.1λ;二元衍射元件的制造误差影响约0.01λ,在具体制造过程中,其径向位置误差和台阶误差可分别在2 μm和5 nm之内。在综合考虑各项误差的情况下,该方法的检测精度仍然可控制在2λ/25之内。     

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.     

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。     

一种投影式激光方向测量方法

为了在激光告警中实现全方位角度探测,且达到一定的探测精度,提出了一种投影式激光方向测量方法.通过计算激光照射在参量给定的遮光板上形成的投影量.求解在探测器上由不同探测象限产生的不同的探测电流的比值.再根据投影面积的比值与角度一一对应的关系可事先编码的原理.由对应程序判断激光入射方向.在软件Matlab仿真中计箅得到产生最小分辨率的四个极限角度分别为(0°,90°)、(33°,21°)、(33°,69°)、(45°,90°),并由实验得到最小分辨电压为0.05 V.通过仿真计算与实验数据证明该设计可达到最小识别角度1°的探测要求.     

基于PSD的高精度光电定心仪

针对目前定心仪精度不高、并依赖于人眼的现状,提出一种基于PSD的高精度定心仪研究方法。采用自准直光路形式和位置敏感探测器PSD对经过被测目标返回的光斑实行定位,并通过读取计算机上的坐标值来判断是否达到准确的定心。文中对定心仪的光学系统进行设计,并运用神经网络的训练来校正PSD的非线性,在测量范围2 mm~500 mm内定心精度达到1 m的设计要求。     

基于PSD的高精度光电定心仪

针对目前定心仪精度不高、并依赖于人眼的现状,提出一种基于PSD的高精度定心仪研究方法。采用自准直光路形式和位置敏感探测器PSD对经过被测目标返回的光斑实行定位,并通过读取计算机上的坐标值来判断是否达到准确的定心。文中对定心仪的光学系统进行设计,并运用神经网络的训练来校正PSD的非线性,在测量范围±2 mm~±500 mm内定心精度达到1 μm的设计要求。