利用Wassermann-Wolf原理设计共形光学系统

基于Wassermann-Wolf曲面原理,设计了一套共形光学系统.该系统的设计方法与传统光学系统不同,具有随目标视场变化的动态像差特性.系统主要参量f′为30 mm,像空间F/#为1.0,工作波长为3～5 μm,HFOR为24°（半目标视场）,HFOV为1.0°（半瞬间视场）.设计结果表明,在整个目标视场系统成像质量达到较好水平.     

共形光学设计研究

符合空气动力学的导引头整流罩都是流线型的面型,由于这些面型破坏了光学系统的对称性,与导引头成像光学配合时会带来严重的像差,使成像质量下降。所谓共形光学设计就是在整流罩和成像光学系统之间加入校正系统,用校正系统校正整流罩所带来的像差,以便获得良好的成像质量。介绍了共形光学设计的概念,讨论了设计原理,分析了热变形的影响,并给出了一个设计实例。     

基于反向旋转位相板的共形光学系统设计

在共形光学系统中,椭球形整流罩打破了球形整流罩的旋转对称性,引入了随目标视场变化而变化的动态像差。共形光学设计的主要任务就是消除或者减小椭球形整流罩引入的动态像差,使共形光学系统的成像质量满足使用要求。设计了基于反向旋转位相板的共形光学系统,利用一对反向旋转位相板的反向旋转对目标视场进行动态扫描,利用固定校正器、衍射元件和泽尼克位相板校正了椭球形整流罩引入的动态像差。成像系统采用二次成像的透射式结构,实现了冷光阑效率100%。结果表明:该方法不仅有别于传统扫描方式,而且有效地消除了大长径比的共形光学系统的动态像差。     

二次曲面共形整流罩像差影响因素分析

传统整流罩为半球形或半球形的一部分,产生的空气阻力较大,不利于武器飞行速度的提高。基于空气动力学性能的考虑,采用共形整流罩的光学技术被提出。文章描述了二次曲面共形整流罩外表面、内表面的设计方法及面型表达式,通过在CODEV中建立共形整流罩的扫描成像模型,应用Zernike多项式分解法研究了不同长径比、边缘斜率、口径比和回转中心位置对离焦像差(Z4)、像散(Z5)、彗差(Z8)和球差(Z9)的影响规律。研究结果表明:二次曲面共形整流罩引入的离焦像差、像散、彗差和球差均随着长径比、边缘斜率和口径比的增加而增大,但对成像系统回转中心的位置不敏感。因此,在满足武器的空气动力学性能条件下应尽量减小长径比、边缘斜率和口径比,回转中心的位置主要根据结构需要进行设计。     

利用自由曲面进行微变焦共形光学系统设计

为使万向支架式共形导引头光学系统获得更大的无渐晕观察视场,设计了利用自由曲面进行像差平衡补偿的折反射式微变焦共形导引头光学系统.系统在所有观察视场中的均方根点斑直径都接近或小于像元尺寸,且在非零搜索观察视场中都具有接近衍射极限的成像质量,该方法使共形光学系统获得大的无渐晕观察视场成为可能.     

二次曲面共形光学整流罩面型设计

椭球形整流罩产生较大的空气阻力,限制了精确制导武器的作战性能。以减小空气阻力为主要目标,针对二次曲面共形光学整流罩进行研究,设计综合性能较为完善的整流罩面型。应用计算流体力学方法,计算了共形整流罩的空气阻力系数,建立了共形整流罩空气阻力评价函数。基于光线追迹理论,以不同目标视场下的平均波前误差作为像质评价指标,构建了共形整流罩像质评价函数。以雷达散射理论为基础,计算了整流罩的雷达散射截面积,给出了共形整流罩雷达散射特性评价函数。结合空气阻力、光学成像质量和雷达散射特性,建立了二次曲面共形整流罩综合性能评价函数,确立了长径比为1.5的抛物线型整流罩具有较好的综合性能。相比椭球形整流罩,该抛物线形整流罩减少了约1/3的空气阻力。     

共形光学技术

共形头罩可大大减小空气阻力,提高导弹在速度与射程方面的性能。介绍了精确共形光学技术,设计的关键在于校正共形头罩在全部视场的动态像差,讨论了采用旋转/平移位相板、拱形校正器等像差校正方法。简要说明了共性头罩加工、试验及应用状况,指出共形光学技术是未来高速导弹整流罩技术的发展方向。     

基于固定校正元件的凝视型共形光学系统设计

为提高凝视型共形光学系统的成像质量,提出了采用共形整流罩内表面设计与Zernike Fringe Sag面固定校正板设计相结合的固定校正方法。根据建立的入射光线与出射光线方向的偏离角与整流罩参数的关系,设计整流罩内表面参数,减小共形整流罩引入的部分像差。在此基础上,利用Zernike Fringe多项式各项与像差的对应关系,构建Zernike Fringe Sag面固定校正板。基于该设计方法设计了一个凝视型共形光学系统,其F数为1,焦距f为30 mm,观察视场为±35°。分析了校正前后系统的像差特性。设计结果表明,该方法有效地减小了共形光学系统存在的主要像差,整个观察视场范围内调制传递函数(MTF)曲线在17 lp/mm处均达到0.748以上,成像质量良好。     

消像差条件在共形光学系统中的应用

根据轴对称光学系统中的消像散条件探讨了共形整流罩结构中消像散万向节点位置的存在性.在此基础上,对共形光学系统中消像差万向节点位置进行了理论推导.软件分析结果表明,轴对称光学系统消像差条件对于共形光学系统的设计仍有良好的指导意义,由此得到的消像差共形光学系统的残余像差已处于实际成像系统的像差校正能力范围之内.     

基于固定校正镜的折衍共形光学系统设计

设计了一个大扫描视场的折衍混合红外共形光学系统,共形成像系统工作波段为3.7～4.8 m,相对孔径为1/2,焦距为120 mm,扫描视场为40。由于共形光学系统具有大偏心、大倾斜光学特性,像差校正难度较大,设计中采用固定校正镜和折衍混合混合结构校正了共形光学元件的像差,引入了非球面和衍射面有效消除了各个扫描视场的像差。设计结果表明:光学系统光阑与探测器冷光阑重合,满足100%冷光阑效率。在40扫描视场范围内,共形光学系统的光学传递函数曲线接近衍射极限,成像良好。     

Analysis of a conformal invisible device

We perform a semi-analytical calculation of the field distributions of a conformal invisible device via mode expansions. For a discrete set of frequencies in the regime of wave optics, the conformal invisible device is perfectly transparent, which stems from the special conformal mapping and the refractiveindex profile of the Mikaelian lens.     

共形光学系统瞬时视场外杂散光的分析及处理

针对空间成像光学系统的像质容易受到瞬时视场外杂散辐射的影响,利用杂散光分析软件建立一个共形光学系统光学机械结构模型,并对其进行反向光线追迹,从而确定出该系统中对瞬时视场外杂散辐射光的聚集贡献较大的关键表面及视场外杂散辐射光的主要传递路径.采用在系统中加入多级挡光环辅助结构的方式获得了100%的瞬时视场外杂散光屏蔽效果.该设计方案具有简单易行的特点.     

On the analytical solution of the optical Bloch equations

We present in this note the analytical solution of the optical Bloch equations for different scenarios of the parameter space. Our method partially follows the reported by H-R. Noh and W. Jhe [Opt. Commun. 283, (2010) 2353]. However, it differs substantially with the analytical solution reported by these authors. We use the exact solution provided by numerical standard algorithms as a pattern for comparison purposes. We find out a perfect matching of our solution and the numerical one.     

自适应光学系统的模式法数值模拟

建立了利用模式法笃自适应光学系统进行数值模拟的理论模型，编制了计算程序，并与激光大气传输计算程序衔接起来，进行了大量数值模拟计算。首次发现：存在泽尼特多项式展开的最佳项数。大于一定项数的展开式的效果迅速变坏，竖排和斜排经特面式展开有类似的结果。文献中认为可以采用的１５项经特多项式展开的效果不好，最佳项数随着横向风速的增加而减小，在风速较大时最佳项数下的模范地结果稍好于直接斜率控制法的结果。     

基于泽尼克多项式进行面形误差拟合的频域分析

获得泽尼克多项式的频谱信息是正确利用该多项式进行误差拟合的关键。推导出了泽尼克多项式的傅里叶变换公式,在频域中分析了不同阶数该多项式的径向频谱信息和幅角频谱信息,得到了有限项泽尼克多项式能够有效表达面形误差的最大径向空间频率和角频率。基于频域分析理论,利用泽尼克多项式对不同口径局部误差进行了拟合,并利用齐戈（Zygo）干涉仪对带有不同面形误差的光学元件进行了试验分析。结果表明,当误差的径向空间频率或角频率超出泽尼克多项式所能表达的频谱范围时,拟合误差迅速变大。     

检测大口径光学平面镜时干涉条纹的子孔径拼接方法

提出了用Ritchey_Common法检测大口径光学平面镜时干涉条纹的子孔径拼接方法。通过确立基准点将多幅子孔径检测数据统一到全口径归一化坐标系下进行拼接,解决了在检验光路中因Ritchey角所引起的投影变形问题和如何消去因被检平面的大曲率所造成的像散。通过Zernike多项式拟合重建连续波面,可恢复全口径波面图像。     

A smart optical liquid level sensor based on Hg cladding optical waveguide

A smart optical liquid level sensor based on the theory of connected vessels is introduced. The Hg cladding optical waveguide (HCOW) is taken as its probe, and the change of liquid level is presented by the change of the HCOW length. Both the theoretical analysis and experiments show that when the waveguide diameter and the light wavelength are certain, the optical power loss decreased linearly with the increase of the HCOW length. By detecting the power loss of HCOW, optimizing the structure of probe and selecting the appropriate apparatus for detection, the real time detection of liquid level with high precision can be got. The experimental results show that the measurement accuracy is 5.2 mm within 10 m liquid level, and its theoretical precision can be up to 0.02%.     

一种用保角变换求解带电Kelvin电容器边缘效应所产生静电力的解析模型

提出了一种用于弱力测量的带电Kelvin电容器产生静电力的新型工作方式. 该工作方式的优点是在机械上可明显简化静电力的实现, 避免了带电Kelvin电容器在传统工作方式下需要同步移动中心电极和保护电极的困难; 缺点是因Kelvin 电容器的边缘效应, 会不可避免地随之产生一个小的静电力分量, 需要准确建立它的数学模型, 方可清晰地评估它对测量结果的影响. 为解决此问题, 本文采用部分电容模拟和保角变换, 将二维电场的计算转换为一维电场计算问题, 并基于此, 得到了一种合理表征Kelvin电容器边缘效应所产生静电力分量的解析模型. 通过与一个具体计算实例的有限元计算求解结果相比较, 分析了所建立的解析模型的准确性.