扫描镜稳定度对TDI CCD测量精度的影响

利用TDI CCD成像数值仿真模型,研究了TDI CCD测量系统的测角精度随扫描镜速度稳定度的变化规律。首先根据TDI CCD推扫成像的物理过程,建立了数值仿真模型,设计了从光学像和扫描镜稳定度到数字图像的仿真链路;然后利用图像重心计算方法求取图像中心坐标并得到目标点的角位置坐标;通过蒙特卡诺法进行海量打靶试验,对结果进行统计得到扫描镜各稳定度水平上的测量精度值;最后将某工程样机的扫描镜速度稳定度带入仿真模型,仿真结果表明：测试误差增大5.67 μrad,达到了像元角分辨率的1/4。在光学测量系统的系统设计时,需要考虑像元分辨率及扫描镜稳定度的综合影响,选用合适的扫描镜稳定度要求,使测量角分辨率满足用户需求。     

45°倾斜镜多自由度精调结构设计研究

对于高准确度光学系统,光学元件及其支撑机构之间的简单连接很难使光路对准并满足公差要求,本文介绍了一种在光学系统中能够对光路进行折转或分束的45°倾斜镜的精调支撑机构.该倾斜镜支撑结构采用了多自由度精调方式,能够在实现两维倾斜调整的同时,实现相互垂直光路的方向平移.设计中使用的柔性元件使结构的倾斜调整准确度达到角秒级,实现0~10 mm的位移,同时借鉴现有的燕尾槽导轨平移技术节省加工成本和减小周期,并且借助有限元分析软件,对机构中的关键部分进行了详尽的分析和论证.整个研究方法可作为同类光机系统设计时的参考,在光学系统的光路调整中有较大的应用价值.     

二维扫描镜像旋特性分析

扫描拼接技术由于原理简单、易于实现而被广泛应用于全景成像系统中,然而该系统中使用的二维扫描镜在工作过程中会引起图像旋转.对二维扫描镜引起的像旋进行特性分析能够指导全景成像系统中像旋校正.假设物理为球面,基于光学反射矢量理论基础对水平扫描和俯仰扫描进行像旋特性分析比较.仿真结果表明二维扫描镜在水平扫描时像旋角与旋转角比例为1∶1,而俯仰扫描不存在比例关系,可以对精确实现光机消像旋提供指导作用.     

45°倾斜镜多自由度精调结构设计研究

对于高准确度光学系统,光学元件及其支撑机构之间的简单连接很难使光路对准并满足公差要求,本文介绍了一种在光学系统中能够对光路进行折转或分束的45°倾斜镜的精调支撑机构.该倾斜镜支撑结构采用了多自由度精调方式,能够在实现两维倾斜调整的同时,实现相互垂直光路的方向平移.设计中使用的柔性元件使结构的倾斜调整准确度达到角秒级,实现0~10 mm的位移,同时借鉴现有的燕尾槽导轨平移技术节省加工成本和减小周期,并且借助有限元分析软件,对机构中的关键部分进行了详尽的分析和论证.整个研究方法可作为同类光机系统设计时的参考,在光学系统的光路调整中有较大的应用价值.     

稳像光学系统设计

重点沦述光学稳像的光学原理,并引用具体的平面反射镜作为光学补偿元件(也就是光稳元件)的稳像方式加以阐述,由此导出倒像系统和正像系统达到相对稳像和绝对隐像时补偿角与扰动角之间的关系式。论述采用会聚光路稳像时由棱镜的微量转动而达到绝对稳像时棱镜转动中心的求法。论述光稳元件兼作转像棱镜时光稳元件的有效孔径与转功中心和棱镜位置的关系。     

高能激光系统内光路热效应建模与仿真

高能激光系统内光路热效应是影响系统性能的重要因素,介绍了内光路中光学元件、介质气体热效应物理模型,分析了影响热效应的主要因素,并开展了热效应变化规律研究。针对光学元件,重点研究了元件吸收率、元件材料特性、光斑分布对反射镜、窗口镜、分光镜热像差的影响规律,指出吸收率主要影响热像差的大小,而元件基底材料特性和激光分布影响热像差时间和空间变化。针对介质气体,指出介质气体升温后重力引起的自然对流是影响气体热像差的主要物理因素,细致研究了热像差随时间的变化规律,介绍了降低封闭与开放式内光路介质气体热像差的措施与方法。介绍了激光仿真软件平台Easylaser多物理仿真模块,搭建了包含反射镜、窗口镜、分光镜和介质气体的内光路计算模型,通过光-热-力-控多物理耦合仿真,研究了反射镜与窗口镜、介质气体与窗口镜热像差补偿效应,给出了激光传输远场光斑特征,表明了Easylaser的多物理仿真模块具备对内光路热效应综合仿真分析能力。     

基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.     

一种具有线性光学放大的激光三角法检测系统光路设计

从改进斜入射斜接收式激光三角法的光路系统角度出发,提出了一种对液面反射光线采用线性光学放大的光路设计,将液面微小位移变化线性放大为光电检测器上的光点位移变化来提高液位检测分辨率。对曲面镜的线性放大原理进行了理论推导,介绍了线性放大曲面镜曲线函数表达式的数值计算方法以及计算机程序流程。仿真实验结果表明,该线性放大曲面镜可以实现线性放大功能,能够有效地提高激光三角液位检测系统的液位检测分辨率,同时可保证检测系统具有较小的非线性误差。该光路设计方法也可应用于具有位置线性放大的光学位置指示系统中。     

采用凝视器件的搜索跟踪系统中的扫描补偿光学技术

为了充分发挥器件的性能,采用凝视探测器件的搜索跟踪系统需要特殊的光学结构补偿搜索跟踪时产生的扫描效应。给出了物方和像方扫描补偿光路的形式和构成,分析了平行和会聚光路两种不同补偿结构的特点,论述了扫描补偿引入的光学问题以及相应解决途径,提出了扫描补偿引入的最大光学原理性误差小于1/3~1/4像素的观点。     

双齐明面透镜

<正> 在光学设计中单个透镜是非常有用的,设计人员常常利用单透镜来进行光学系统的象差校正。例如,在显微物镜设计中所采用的单个消球差透镜,斯米特校正板,马克苏托夫弯月镜以及同心透镜等均属此类单透镜。单个消球差透镜虽然使高斯焦点位置有移动,但是却因光束孔径角大大减小,并且其象点没有球差和彗差而提高了显微物镜数值孔径。斯米特校正板和马克苏托夫弯月镜放在平行光路中用来补偿光学系统的球差和彗差。同心透镜位于会聚或发散光路中,主要用来控制子午场曲。本文提出一种双齐明面透镜,同样也是在会聚或发     

Walk-off ring-down spectroscopy: attaining ultrafast resolution by converting time into space

A new technique for monitoring time-resolved phenomena is demonstrated by which a probe beam is directed into an optical cavity. Spatially separated output pulses are produced by directing the incident beam into the cavity in such a way that it walks in a direction transverse to the optical axis as it propagates between the two mirrors. This effect may be achieved either by a plane-parallel resonator oriented at a nonzero angle of incidence or by a wedge cavity, for which one of the mirrors is set at an angular offset. The spatially resolved output train may then be related to the time-dependent attributes of the resonator and the molecules it encloses. Time resolution is controlled by the separation of the mirrors, wedge geometry, and the angle of incidence. A time resolution of better than 4 ps is achieved using a 500 µm mirror separation and a 20° angle of incidence.     

一种激光定向的多窗口设计

在激光侦察告警等应用领域需要精确测定入射激光的方向。通过对平行激光在光学劈尖上产生等厚干涉条纹的分析，得到了激光入射倾角与条纹间距的关系，提出了利用入射激光在相邻3个光学劈尖上产生干涉条纹的间距来确定激光入射方向的探测模型，并详细论证了该模型的探测原理。给出了一种由9个光学劈尖组成的可实现半球空间激光定向的多窗口设计方案。理论计算表明，该方案切实可行，且在探测精度、反应速度和系统组成等方面与现有的激光定向技术方案相比具有一定的优越性。     

声光可调谐滤波器(AOTF)消色散设计

介绍了非共线声光可调谐滤波器的构成及基本原理,计算了非共线声光可调谐滤波器衍射出的±1级衍射偏振光的偏转角,采用在光路中添加光楔的方法补偿非共线声光可调谐滤波器晶体色散引起的图像漂移.分析结果表明使用TeO_2材料设计的光楔在楔角为7.6°的时候可以控制图像漂移在一个像元以内,并在400～900 nm的工作波段范围内满足稳定成像的要求.     

激光雷达系统快速准直的方法和光学装置

 研制了一种能够方便、快速调节激光雷达收发光路准直的光学装置,分析了装置楔角的选取要求、准直误差及其相应的矫正方法。该装置结构简单,主要由两个楔形光学平板组成,通过电机转动两个楔板可使出射光束方向在一定范围内任意改变,该调节范围由楔板的楔角和折射率决定。利用折射定律,严格推导了装置中两个楔形光学平板的旋转角度与出射光束方向之间的关系。提出了将该光学装置插入到激光雷达发射光路,采用螺旋式粗扫、圆形和径向细扫相结合的光束扫描方式实现对激光雷达准直的方法,并给出了系统准直调节过程中的判断准则和具体的准直步骤。     

高功率激光终端KDP晶体非共线高效三倍频及远场色分离方案数值模拟分析

为满足高功率激光装置对终端光学系统的改进要求,控制3ω光路透射元件厚度以降低激光损伤风险,避免3ω非对称聚焦与色分离元件对靶场调靶产生不利影响,本文利用非共线相位匹配原理讨论了KDP晶体Ⅰ类和Ⅱ类两种和频产生351 nm(3ω)激光及其远场色分离过程.模拟结果表明,室温20?C环境中除目前常用的共线和频外,1053 nm(ω)与526.5 nm(2ω)激光可选择Ⅰ类或Ⅱ类两种非共线和频方式实现高效3ω激光输出并在激光远场实现色分离,且具有足够的高效转换失谐角容宽.计算表明,与Ⅰ类和频类似,Ⅱ类和频也存在一个非临界相位匹配过程,其匹配方向约为θ(3ω)=86.53?.可通过增加晶体厚度克服其有效非线性系数较低的缺点,实现3ω高效输出,失谐角容宽可达±20 mrad.为满足靶场需要,解决非共线角容宽苛刻带来的调节不便,并进一步使光路紧凑,将楔角为12?的熔石英楔板置于倍频晶体之后,ω与2ω激光在熔石英楔板后表面可产生约3.5 mrad分离角.经非共线和频,使用薄透镜即可实现聚焦及色分离.该方案完全满足终端光学系统的改进要求,可作为可靠的备选方案之一.     

静态傅里叶变换干涉具在大视场探测中的应用

为了同时满足大视场、实时探测的要求,采用静态傅里叶变换干涉具,通过计算在-45°～45°范围内关于入射角度与相干条纹的光程差函数,仿真结果显示,倾斜入射干涉具会造成干涉条纹变密、暗带增宽、探测波长偏移等结果.提出了一种采用双干涉具循环运算的激光方向、波长的求解方法.采用折射率为1.46、斜楔角度1°的静态傅里叶变换干涉具做实验.由试验结果可知,每改变1°所对应的波长变化为2 nm,应用该方法可以在较大视场范围内求解激光方向及波长信息.     

Measurement of residual wedge angle with a reversal shear interferometer

A technique for determination of residual wedge angle of high optical quality transparent parallel plate using a reversal shear interferometer-based optical system has been discussed. In this technique the parallel plate to be tested is used to introduce angular tilt in the preset two-beam interference fringes of a reversal shear interferometer. The parallelism is calculated from the angular tilt of the fringes. The technique is more sensitive compared to techniques using Fizeau interferometer and is most suitable for highly parallel transparent plate with very low residual wedge angle.     

Optical refractometry based on Fresnel diffraction from a phase wedge

A method that utilizes the Fresnel diffraction of light from the phase step formed by a transparent wedge is introduced for measuring the refractive indices of transparent solids, liquids, and solutions. It is shown that, as a transparent wedge of small apex angle is illuminated perpendicular to its surface by a monochromatic parallel beam of light, the Fresnel fringes, caused by abrupt change in refractive index at the wedge lateral boundary, are formed on a screen held perpendicular to the beam propagation direction. The visibility of the fringes varies periodically between zero and 1 in the direction normal to the wedge apex. For a known or measured apex angle, the wedge refractive index is obtained by measuring the period length by a CCD. To measure the refractive index of a transparent liquid or solution, the wedge is installed in a transparent rectangle cell containing the sample. Then, the cell is illuminated perpendicularly and the visibility period is measured. By using modest optics, one can measure the refractive index at a relative uncertainty level of 10(-5). There is no limitation on the refractive index range. The method can be applied easily with no mechanical manipulation. The measuring apparatus can be very compact with low mechanical and optical noises.     

基于焦斑空间频率全域优化的偏振匀滑设计

偏振匀滑是利用光束偏振特性降低焦斑对比度的一种技术,它最大可降低焦斑对比度为原来的1/√2. 焦斑的频谱分析显示,传统楔形晶体的偏振匀滑对焦斑对比度的改善只集中在某些特定的空间频率,本文因此提出了一种可全域降低焦斑空间频率的偏振匀滑方法,它采用单轴晶体对入射光的角度不同而产生的相移不同的方法,实现激光两种正交偏振态在靶点的分离. 理论分析和数值模拟表明,新方法可以实现焦斑空间频率中高频段的全频域降低,焦斑对比度也可同时达到1/√2的最大程度的改善. 分析了连续相位板作为新方法引入激光入射角分布不同的条件,确定了刻蚀连续相位板面形的晶体同时实现焦斑整形和偏振匀滑的边界条件. 关键词： 偏振匀滑 焦斑功率谱 响应函数 焦斑整形     

星间激光通信光束微弧度跟瞄性能检测装置的设计原理

基于矢量折射定理,研究了透射光束通过双棱镜实现微弧度量级偏转的设计原理,解决了星间激光通信精跟瞄检测的难题。推导了正交双棱镜实现光束偏转的精确公式,提出以水平张角和垂直张角表达光束视场,并说明了单棱镜实现光束偏转的一般情况。根据设计指标和计算结果确定了棱镜的主要参量,进而对光束的偏转结果进行了数值模拟。最后的实验结果与模拟结果基本一致。结果表明:取棱镜棱角α为4°时,棱镜每旋转1′,透射光束变化约1μrad;分别控制双棱镜在其最小偏向角一侧小角度偏转,可以实现光束在水平方向和垂直方向500μrad范围内的精确扫描,装置的扫描精度可以达到0.2μrad。