微型拉曼光谱仪杂散光分析及抑制方法的改进

作为一个微弱光信号探测系统,拉曼光谱仪中的杂散光分析可以为其设计提供较大帮助。针对微型拉曼光谱仪系统,结合光学设计和三维建模优化了其光机结构,系统分辨率为0.7 nm,体积为110 mm×95 mm,属便携式微型拉曼光谱仪,并基于杂散光分析软件TracePro对系统进行了光线追迹和仿真分析。首先通过优化孔径光阑初步抑制了入射处带来的杂散光,然后针对系统内部的主要杂散光(光栅零级衍射光)抑制装置即光学陷阱进行了详细分析和设计改进,改进后的光学陷阱较改进前更有效地利用了光谱仪内部空间,且分析结果表明改进后的光学陷阱将杂散光线数量减少了50%,杂散光归一化辐照度强度从10-5降低至10-7,在微型化的同时可有效抑制微型拉曼光谱仪系统中的杂散光,将更加有利于微弱信号的探测,为微型拉曼光谱仪的设计和装调提供了参考。     

天基红外探测系统的杂散光分析与计算

探讨了天基红外探测系统的杂散光来源,运用黑体辐射的理论分别对其大小进行了分析和计算。分析地气杂光在探测器靶面的辐照度时,通过在仿真软件中建立模型,应用追迹光线的方法得到了地气表面对相机所张的立体角,从而求出地气杂光在探测相机靶面上的辐照度,减小了计算的复杂度。然后对探测系统的噪声进行了分析,计算了某一个型号Sofradir焦平面器件的噪声等效辐照度(NEI),通过比较发现,杂散光在探测器靶面的辐照度远大于热像仪的NEI,必须对杂散光采取抑制措施。最后对地气杂光的抑制比和光学系统的致冷温度要求进行了分析,结论为系统的设计提供了参考。     

Stray light analysis of low-level-light optical system with LightTools software北大核心CSCD

为解决低照度微弱信号探测的微光光学系统杂散光问题,研究了杂散光的原理和特性。利用光学系统建模软件LightTools对微光光学系统进行仿真建模,并开展杂散光分析。为减少杂散光,在物镜筒的筒壁加工消光螺纹,并针对不同形式的消光螺纹,开展了能量仿真模拟。仿真结果表明,采用螺距0.35 mm的消光螺纹,能够将杂散光系数从7%降低到4%。仿真分析结果与实验结果一致,为其他微弱信号探测光学系统在设计阶段对杂散光进行消除提供了指导。     

杂散光抑制与评估技术发展与展望（特邀）

随着空间光学技术的快速发展以及光电探测器件性能的不断提升,高分辨率、多光谱、低探测阈值的遥感系统在航空、航天等领域的应用越来越广泛,对光电载荷的杂光抑制能力与评价指标逐渐严苛,杂散光抑制技术和仿真分析已成为不可缺少的环节之一。尽管杂散光的抑制与评估技术开展较早,但仍然需要系统性方法体系引领该技术的发展,以改变当前分散化、碎片化的研究现状。因此,需要建立一体化的杂散光抑制与评估方法体系,在杂散光抑制方案制订、抑制模型表面特性测量与建模、杂散光抑制效果仿真、杂散光测试及评估等四个关键技术模块进行深入研究。本文给出了一套整体技术路线,为更好推进杂散光抑制与评估技术的发展和应用提供思路。     

日冕仪系统中三种杂散光的判定与实验研究

针对日冕仪中对杂散光的抑制要求,分析了日冕仪系统中的三种杂散光,包括日冕仪物镜二次反射产生的鬼像点、日冕仪物镜散射点、以及日冕仪孔径光阑衍射光。利用光学建模软件对日冕仪系统进行仿真和分析,发现这三种杂散光的成像位置十分接近且不易区分,并会对系统的检测过程和检测结果产生干扰。根据仿真结果,给出了这三种杂散光的判定与抑制方法,并利用一台视场为±1.08 R_⊙～±2.5 R_⊙(R_⊙表示太阳半径),工作波段为530.3～637.4 nm,通光口径为220 mm,系统总长为4 321 mm的内掩式日冕仪进行了理论验证和实验对比,验证了判定方法的可行性。同时设计了掩体和鬼像遮拦结构对杂散光进行抑制,增加了日冕仪系统杂散光抑制的选择方案,提升了日冕仪杂散光检测的准确率。     

激光准直系统中的杂散光分析与抑制

针对不同光学系统中存在的杂散光所造成的假信号或信号饱和影响,本文结合像面照度分析和消光环抑制的方法,对准直系统进行分析,找到产生杂散光的主要原因,设计了3种不同结构的消光环以消除杂散光。仿真实验结果确定了最优形式的消光环结构,边缘杂散光抑制最大下限值为0.38%,平均抑制值5.68×10~(-4)%;以此模型为基础,进行了杂散光抑制实验。实验结果表明,带有消光环结构的准直系统可以有效抑制杂散光,保证了后续光学系统的功能实现,对其他杂散光抑制系统具有借鉴作用。     

多目标复合半实物仿真系统的杂散光分析

杂散光分析已经成为光学系统设计中必须考虑的关键因素之一。基于蒙特卡洛法,利用TracePro软件进行建模仿真,对多目标复合半实物仿真系统的杂散光进行了分析。仿真结果表明仿真系统的杂散光主要来自两方面:一是扩束光束经主反射镜边缘反射的未复合光束;另一个是由于仿真系统关键元件自发辐射产生的杂散光。根据杂散光系数和元件制冷温度的关系得出:当制冷温度为200 K时,仿真系统的杂散光系数小于2%。分析结果对导弹的多目标复合半实物仿真系统的设计具有重要的指导意义。     

Analyzing stray light on line structures of different critical dimensions based on Kirk test

采用Kirk测量法的杂散光模型研究了杂散光在不同线宽结构上杂散光的光强变化,通过图像对比度分析了杂散光对不同线宽结构的影响.基于Matlab软件仿真分析表明:线宽一定时,线条越稀疏,图像对比度越低,杂散光对成像图形分辨力的影响越大;线条线间比一定时,线宽尺寸越小,图像对比度越低,杂散光对成像图形分辨力的影响也越大.所以杂散光对线宽较小并且线条稀疏空间结构所成的图形造成的影响较大.     

超分辨卫星载荷光学系统杂散光抑制

为了进一步提高超分辨卫星载荷光学系统的空间分辨能力,需对系统杂散光进行抑制,以得到准确的原始图像.通过光线追迹方式,分析了系统杂散光,确认了杂散光的来源.通过Tracepro定量化分析和结构有限元分析,在限制范围内,不断优化、改进遮光罩尺寸及挡光环位置,得到光学系统视场外点源透射比均在10-3以下,验证了该杂散光抑制方案的有效性,为卡塞格林光学系统的工程应用提供参考.     

干涉成像光谱仪的杂散光分析

杂散光对光学系统的成像质量有严重的影响。从杂散光的定义出发,分析杂散光的来源,建立评价杂散光对系统影响的主要指标和点源透过率、杂散辐射比的数学模型,用TracePro对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的杂散光进行分析和计算,通过在系统中增加遮光光栏能有效抑制系统中的杂散光,有效降低杂散辐射比。采用分析结果对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的光机系统进行消除杂散光设计。     

毛细管阵列电泳检测过程中的杂散光分析

建立了激光诱导荧光检测系统.采用光学仿真方法,建立与实际光学系统相同的模型.模拟表明:聚焦光束扫描毛细管阵列,轴上光束入射到毛细管内径中心时产生的杂散光最大,在两边逐渐减小.由毛细管产生的杂散光的平均光强是无毛细管时的2.725倍,说明由它产生的杂散光比较严重.对不同大小的内径产生的杂散光影响进行了分析比较,增大毛细管的内径,杂散光增大,但毛细管内径减小会使进样量少,检测困难,同时还会加大清洗与灌胶的难度.综合考虑,选取内径为50 μm的毛细管较为合适.利用自行设计的激光诱导荧光检测系统扫描毛细管阵列,进行了杂散光检测实验,光电倍增管记录所收集到的信号,作出了激光束扫描毛细管的不同位置时的杂散光信号强度分布图,实验与模拟结果相一致.     

激光散斑时间漂移效应研究

报道了激光散斑时间漂移效应.引入了散斑模型,接收面上散斑场复振幅的强度和位相的统计性质证明了模型的合理性.基于此模型和相关算法,模拟了所有可能导致激光散斑时间漂移效应的物理因素的影响.模拟结果显示两个因素起主要作用.通过巧妙地改变VCSEL和CCD的工作状态,也证明了两个因素其主要作用,即激光器对表面的加热引起的表面膨胀和CCD的热效应带来的噪声增加.相比之下,其他因素仅仅会带来散斑图像的微小变化.     

大视场四象限探测光学系统设计

为了实现大视场激光探测跟踪,分析了大视场激光探测光学系统的研制特点。首先,根据四象限探测对光学系统光斑均匀性的要求,结合系统的指标参数,选定合理的光学结构型式,提出像差校正的设计方案。然后,基于ZEMAX软件完成大视场四象限探测光学系统设计,并利用点列图、光线足迹图、包围圆能量定性评价系统光斑质量;通过TRACEPRO光学分析软件,得到探测器靶面的光线照度分布。最后,依据设计结果完成光学系统的加工装配及性能测试。测试结果表明：激光探测系统线性视场为±6°,测角精度优于0.15°,并根据实测数据针对线性视场进行曲线拟合,与理论曲线相符,验证了设计结果的正确性。     

小型化全景系统的杂散光分析与抑制方法研究

由于全景环带光学系统的头部单元结构形式复杂,内部光路经过多次反射与折射,杂散光情况比较严重,因此全景环带光学系统设计过程中对杂散光的分析尤为重要。文中着重分析全景环带光学系统头部单元中产生杂散光的形式,对未经全景环带光学系统头部单元反射的杂散光建立消杂光数学模型,在此基础上对全景环带光学系统行了优化设计;对全景环带光学系统中头部单元胶合面反射的杂散光采用一种凸向像面的弯月胶合镜的形式进行抑制,并通过ASAP软件建模仿真。仿真结果显示,杂散光能量降低90%,证明采用的结构形式和消杂光数学模型有效地抑制了杂散光的产生。     

基于LCoS拼接技术的动态星模拟器光学引擎的优化设计

为了降低基于硅基液晶拼接的动态星模拟器背景杂散光,对传统的光学引擎进行优化,提出一种多偏振分光棱镜组合方式,并对其光机结构进行设计.阐述了光学引擎照明系统的设计方案,讨论了降低视场角、增强均匀性的方法.通过Tracepro对照明光学系统进行仿真,对照明光源设计方案的可行性进行了验证.实验结果表明:优化后的动态星模拟器杂散光辐照度降低了2.93倍.优化后的光学引擎有效地抑制了背景杂散光,并且增强了两片反射式硅基液晶对比度的一致性.     

红外光学系统的污染镜面杂散辐射分析

以卡塞格伦结构为例,利用ASAP光学分析软件,建立了红外光学系统的三维仿真模型,在光学元件表面存在均匀分布和非均匀分布的微粒污染情况下,对红外光学系统的杂散辐射特性进行了仿真和比较分析,对影响系统杂散辐射特性的主要因素进行了讨论,并对系统中机械元件的杂散辐射路径进行了分析。在此基础上,采用有效发射率对系统的杂散辐射性能进行了评价,讨论了镜面污染程度对红外光学系统杂散辐射性能的影响。     

目标光源差异对阵列式光谱辐射计测量的影响及紫外杂散辐射修正研究

应对气候变化预测与灾害天气防范等科学难题,空间观测领域提出高精度的光谱辐射度定标需求。阵列式光谱辐射计存在内部结构缺陷和光学元器件不理想等问题,导致杂散辐射,严重影响光谱辐射度测量结果的准确性。测量多种典型阵列式光谱辐射计的杂散辐射特性,考虑外场目标光源与实验室定标光源不一致对杂散辐射修正的影响,分别基于带通滤光片和可调谐激光器研究紫外杂散辐射修正方法。首先,利用不同光谱透过率的带通滤光片,测量可见及红外光谱辐射引起的紫外杂散信号。针对杂散辐射分布特点,建立数学修正模型,实现高效快捷的杂散辐射修正。地基验证场的光谱辐射亮度测量结果修正后,紫外杂散辐射信号显著降低。对于连续分布的宽谱段光源,带通滤光片修正法具有实验简便易行、测试过程高效等优点。然而,实现非连续分布或窄带光源的高精度杂散辐射修正存在困难。为此,建立基于可调谐激光器的杂散辐射测量系统,解决了各个像素点杂散辐射线扩展函数的测量难题。改变可调谐激光器的输出波长,精细化测量各个像素点的杂散辐射线扩展函数,再推导出杂散辐射信号分布函数,通过MATLAB软件将矩阵反演运算,得到各像素点的杂散辐射修正结果,实现杂散辐射的高精度修正。利用不同类型的阵列式光谱辐射计验证了该修正方法,对于非连续分布的窄带光源,测量结果修正后杂散辐射信号降低了一个数量级,并且谱线两边的杂散宽峰显著消除,大幅降低了紫外波段的测量偏差。针对不同光谱分布的光源,建立了两种优势互补的杂散辐射修正方法,有效改善了阵列式光谱辐射计的紫外测量结果偏差,进一步确保我国地球观测数据的准确性和国际等效互认。     

半导体激光器内自混合散斑干涉

在散斑和半导体激光器的自混合干涉理论的基础上,提出了基于法布里一珀罗腔的自混合散斑干涉模型,对粗糙表面产生的激光器内自混合散斑干涉效应(SMSI)进行了详细的理论研究和分析,得到了粗糙腔条件下的激光动力学的数值解。模拟产生了高斯相关随机表面及其在夫琅禾费面上产生的散斑场,以及该散斑场与相干光场叠加所形成的光场,分析了这些情况中光强的统计特征,与已知实验情况进行了对比,模拟结果与已知统计结果相同。给出了粗糙表面运动时激光器输出增益的变化及其概率密度分布。对由于照明宽度和外腔长度的变化而给粗糙表面运动时激光器输出增益变化带来的影响进行了分析。实验结果和模拟结果相符。