大口径干涉仪系统传递函数校准

 波前功率谱密度(PSD)被用于评价ICF激光驱动器光学元件在中频区域的波前误差。目前主要采用大口径相移干涉仪检测ICF光学元件的波前畸变,通过付立叶变换获得波前的PSD分布。相移干涉仪在较高空间频率分量的测量上存在失真效应,因此需对干涉仪的空间频率传递函数进行校准。本文采用位相比较法测量大口径相移干涉仪的系统传递函数。我们采用衍射光学元件的制造工艺,设计、制作了标准的透射和反射位相元件,比较理论计算值与实测PSD值,分别获得了大口径相移干涉仪透射、反射测量模式的系统传递函数。     

干涉仪系统传递函数测量及影响因素的分析

波前功率谱密度(PSD)被用于评价惯性约束聚变(ICF)激光驱动器光学元件中频段的波前误差。干涉仪对PSD较高空间频率分量的测量存在失真效应,可通过干涉仪系统传递函数(STF)的检测标定来获得真实的波前PSD分布。采用台阶板位相比较法测得大口径菲索相移干涉仪检测系统在透射和反射检测情形下的传递函数。对传递函数测试算法进行了比较分析,明确了干涉仪系统zoom倍率的改变等因素对传递函数测量的影响,为波前PSD的准确检测奠定了基础。     

强光光学元件波前检测算法

针对强光光学元件高精度检测中使用的两个新参数一——波前位相梯度和功率谱密度的数值计算方法进行了研究，并对目前使用的大口径干涉仪传递函数进行了实验标定。     

大口径光学元件功率谱密度的统计法测量

针对ICF系统要求,提出了一种基于统计理论的大口径光学元件功率谱密度测量方法。该方法将大口径波前划分成足够多个子区域,分别求得每个子区域波前的功率谱密度,根据统计理论可将大口径波前功率谱密度表示为各个子区域波前功率谱密度的加权平均,其权重因子是各子区域对应的面积。模拟计算和实验结果验证了统计法测量的有效性,并表明当子区域个数大于等于8×8时,统计法测量和子孔径拼接测量得到的功率谱密度吻合较好。统计法测量对平台移动精度和环境稳定性要求不高,可应用于大口径光学元件功率谱密度的过程检测。     

二元伪随机光栅与台阶校准检测系统传递函数的影响分析

采用高质量的标准位相结构是实现光学干涉检测系统的系统传递函数精确校准及保证光学元件波前/表面中高频段信息准确检测的前提。通过对二元伪随机光栅结构和台阶位相结构两类典型表面进行模拟,分析了空间周期误差及跃变边缘陡度等制造误差对于检测系统传递函数校准的影响,并分析了检测系统CCD对二元伪随机光栅欠采样和过采样时功率谱密度(PSD)的变化。结果表明:存在同等制造误差时,二元伪随机光栅结构比台阶位相结构对检测系统传递函数中高频能够实现更高精度的校准;当对二元伪随机光栅存在欠采样或过采样时,均会造成PSD随频率的下降,可通过对理想二元伪随机光栅的高度分布进行相应的采样修正消除因采样对传递函数校准的影响。     

用于深空探测的宽谱段大视场小型光学系统设计

设计了一种宽谱段、大视场、轻小型成像光学系统.系统焦距为35mm,相对孔径为1∶7.5,工作谱段为0.4~0.9μm,全视场为2ω=60°,采用复杂化双高斯结构,透镜面形均采用球面设计,实现系统总长115mm,在70lp/mm处,最低光学传递函数大于0.45.利用负畸变法、像差渐晕法改善广角系统像面照度均匀性,使像面边缘视场照度达到中心视场的80%.像面照度不均匀性为8%,系统热光学性能良好,在0~40℃范围内均有较好的像质,满足深空探测需求.     

机载大视场高光谱成像系统设计

为适应机载高光谱成像系统的发展需要,设计了一种机载大视场高光谱成像系统。前置望远系统为大视场宽谱段透射式系统,高光谱成像仪为基于Offner次镜的改正型Féry棱镜中继系统。系统设计过程中两次使用Zemax多重组态设计;尝试将Offner次镜的改正型Féry棱镜设计为高光谱成像仪;将Féry棱镜高光谱成像仪集成为高光谱成像系统进行一体化系统分析。该设计在结构和设计方法上均有改进。设计的大视场可见近红外高光谱成像系统视场可达28°,机载载荷高度为5km时,全系统的刈幅宽度为2.493km,地面分辨率可达0.6m。左半视场和右半视场全谱段调制传递函数均大于0.6,最大谱线弯曲和谱带弯曲不到0.2pixel,成像质量接近衍射极限。     

大口径光学元件波前功率谱密度检测

波前功率谱密度（PSD）被用于评价惯性约束聚变激光驱动器光学元件在中频区域的波前误差。高功率固体激光装置对大口径光学元件波前质量的要求有别于传统光学系统,要求对波前误差进行较高空间频率的测量。探讨了大口径光学元件波前的高空间分辨率检测技术,采用大口径相移干涉仪作为波前检测仪器,通过傅里叶变换获得波前一维功率谱密度分布。对惯性约束聚变激光驱动器的典型光学元件进行了波前功率谱密度的的检测和分析。     

大视场大相对孔径斜轴离轴三反望远镜的光学设计

推导了离轴三反光学系统的线性像散平衡条件,在此基础上采用倾斜母镜光轴的方法设计了大相对孔径时大视场像散校正的斜轴离轴三反光学系统.系统视场为5°×5°,相对口径为1/3.1,口径为250mm,波段为400～2 500nm.将该系统与相同光学参数的共轴二次非球面离轴三反系统和共轴高阶偶次非球面离轴三反系统进行对比.结果表明斜轴离轴三反光学系统所有视场的光学传递函数在17lp/mm处均大于0.73,由于反射面采用圆锥曲面,其在偏轴视场成像质量方面有明显优势.对斜轴离轴三反光学系统的加工与装调进行了分析,其公差较为宽松,验证了其结构实现的可行性.     

反射式光学像面拼接方法研究

目前,电荷耦合图像传感器的像面尺寸不足以满足现代空间光学系统的需求,本文采用反射式光学系统拼接的方法来扩大光学系统的视场.针对光学拼接带来的渐晕和使调制传递函数变小的问题,研究了一种带有6个反射面的反射镜光学拼接系统,分析了反射镜拼接系统渐晕的特点,提出采用子子像面间渐晕补偿法消除子像面交界处的渐晕,并对像面边缘的渐晕进行补偿.另外,通过合成点扩散函数法来改善光学拼接系统的调制传递函数,结果表明:合成图像的调制传递函数与子图像的调制传递函数相比,虽然截止频率没有提高,但在同一频率处的值有明显的提高.     

基于光学系统像面分割的图像恢复方法研究

实际光学系统的点扩散函数随视场的不同而变化,因此基于线性不变成像系统的图像恢复方法在处理由大视场系统得到的图像时,恢复效果不理想。若把成像系统作为线性空变系统来进行处理,根据等晕成像原理,如将降质图像分割为不同区域进行复原的话,则可以有效地提高图像的恢复效果。针对区域间边界不连续性的问题,提出了区域延拓的解决方法,通过数字仿真,验证了图像分割处理与区域延拓方法的可行性。     

高精度半导体激光打标机F-θ镜头设计

为保证半导体激光打标机F-θ镜头的扫描质量,实现系统像高与扫描角的线性变化,需对F-θ镜头给予一定的畸变量,并使其满足等晕条件。分析F-θ镜头工作原理及像差要求,根据1 064 nm半导体激光打标机的光源成像要求选择合适的玻璃材料,合理分配每片透镜的光焦度,以保证等晕成像;根据F-θ镜头线性成像要求,计算系统总畸变量为1.6%,系统总畸变量为系统的实际桶形畸变与相对畸变量之和;在光学系统优化设计时,引入这两项优化参数,优化过程中观察系统成像变化情况。设计结果表明:系统MTF曲线接近衍射极限,F-θ镜头相对畸变小于0.36%,各视场均方根半径均小于艾里斑直径,并且整个系统70%的能量集中在直径为16 μm的圆内,系统总畸变量为1.58%,满足设计指标要求。     

垂直极化平行板有界波电磁脉冲模拟器辐射近场的快速估算方法

为快速估算出垂直极化平行板有界波电磁脉冲(EMP)模拟器的时域近场,将散射传递函数法应用于该类型模拟器近场的时域计算中,即对于给定的脉冲源,先寻找有效频谱范围能覆盖该源的高斯脉冲源,并应用时域有限差分(FDTD)方法计算该高斯脉冲源激励时模拟器中测试点场的时域响应,再利用傅里叶变换、系统的传递函数及傅里叶逆变换计算得到给定脉冲源激励时各测试点场的瞬态响应。所得计算结果与直接使用给定脉冲源激励时FDTD方法的计算结果符合较好。所述方法可用于同一模拟器在不同脉冲源激励时辐射近场的快速估算,能大大减少FDTD模拟计算的次数,尤其对于中大型模拟器能有效减少计算时间和内存。     

Simulation of anisoplanatism of adaptive optical system in inhomogeneous turbulent atmosphere

The goal of this study was to analyse anisoplanatism of adaptive optics under an inhomogeneous turbulent atmosphere over a pupil of finite size. By means of a numerical model with layers of turbulence software was proposed by which point spread function (PSF), optical transfer function (OTF) as well as system isoplanatic angle can be calculated. Atmospheric turbulence was simulated with the aid of a set of moving random phase screens with arbitrary statistics. Both reference and target are assumed to be the point light sources. To simulate atmospheric turbulence we applied the concept of a number of moving random phase screens with Kolmogorov spectrum. In my investigation I used the model of the Shack-Hartmann wave front sensor and the ideal model of a wave front adaptive mirror that is assumed to reproduce a given number of Zernike polynomials without time delays. The designed software allows calculation of instantaneous and average values of phase correction errors at different angles between a reference beacon and target source. Simulations can be made with a broad range of parameters of an adaptive system and atmospheric turbulence. The system of the model allows changing of the control algorithm of phase correction. Both common phase conjugation and weighted phase conjugation algorithm have been tested. This program is capable of calculating the effects of beam diffraction during propagation in the atmosphere.     

Theoretical analysis and simulation of conjugate heights for dual-conjugate AO system in lidar

A multi-conjugate adaptive optics （MCAO） can offer a possibility of widening field of view （FOV） characterized by the isoplanatic angle, and the choose of conjugate height becomes a basic problem for MCAO, which influences the size of iosplanatic angle. Considering the application of lidar, the isoplanatic angle＇s expressions of two deformable mirrors （DMs） MCAO for uplink and downlink are deduced. The effects of conjugate heights for dual-conjugate AO are thoughtfully discussed, and the isoplanatic angles are further analyzed. The results show that the isopanatic angle varies with the conjugate height and reaches the maximum as the conjugate height is at the optimal altitude. Moreover, the optimal conjugate height changes with the propagation distance.     

多层共轭自适应光学系统中等晕角的计算

介绍了多层共轭自适应光学(MCAO)系统的基本原理及其对提高自适应光学系统的等晕角的作用。介绍了用计算机模拟计算MCAO等晕角所用的数值方法,并给出了相应的算法。计算了在传统的自适应光学系统中的等晕角的大小以及采用多层共轭技术的自适应光学系统的等晕角的大小,并对二者进行了比较,说明了多层共轭自适应光学系统相对于传统的自适应光学系统在提高系统的等晕角方面的优越性。结果表明,在MCAO中,变形镜的个数越多其等晕角越大。     

矩形波板法测量光锥与CCD耦合器件的光学传递函数

本文采用直接对矩形波板成像的办法,测得系统的对比传递函数,然后再利用系统对比传递函数与系统的调制传递函数的关系,得到系统的调制传递函数.该方法克服了传统刀口扫描法的缺陷,消除了由于离散型光学元件的离散性产生的空间非平移不变性的影响,减小了测量误差,提高了精确度.     

Isoplanicity for imaging through turbulent media

For optical imaging through turbulence, a measure which specifies how close a given imaging system is to be isoplanatic is defined. Its defendence on the spatial resolution, seeing angle, and turbulence structure is given. The result shows that for low resolution imaging, the isoplanatic condition is usually satisfied, while for diffraction-limited imaging, the isoplanatic condition does restrict the seeing angle to be small.     

高精度等晕角测量关键技术研究

等晕角是重要大气光学参数之一,对天文光学站址选择、大气湍流效应自适应光学校正效果评价等有着重要的意义。分析了国内外等晕角测量技术,介绍了等晕角测量的基本原理,设计了三环变迹镜并开展了数值验证,分析并提出了高精度等晕角测量仪的主要技术指标,研制了一套高精度等晕角测量仪,结果表明,该仪器能够满足全天时的等晕角测量。