光学系统中杂光分析

光学系统的杂散光极易在系统内形成多个鬼像 ,这不仅严重影响光束质量和传输特性 ,并可能对系统光学元件造成永久性损伤。提出了一种基于光线追迹基础的分析光学系统杂光影响的有效方法 ,建立适合各类光学系统杂散光及鬼像分析的数理模型。编制了专门的杂散光分析软件 ,通过计算机光路模拟 ,对光学系统中的鬼光束进行全面、系统分析 ,可得出系统鬼像及关键元件处的能量密度 ,从而在光学系统设计阶段排除鬼像的潜在危害     

白光日冕仪光学系统的杂散光抑制

为满足日冕仪对杂散光抑制的苛刻要求,通过分析日冕仪的工作原理和结构特点,设计了白光日冕仪光学系统,系统观测范围为2.5～15 R⊙,角分辨率为14″,口径为30 mm,焦距为200 mm,系统总长为1 080 mm;其中光学系统长370 mm,37 pl/mm的MTF值＞0.5.分析了直射太阳光、太阳光在外掩体D1边缘的衍射光、视场光阑A1边缘的衍射光、以及物镜组O1各表面多次反射带来的系统杂散光的特点,利用多个光阑互相共轭的空间位置关系,设计了相应的杂散光抑制结构,从而完全抑制了系统的4个主要杂散光光源产生的杂散光,使系统整体杂散光抑制水平达到10-8～10-10 B⊙,满足了日冕仪光学系统对杂散光抑制的要求.     

硬性内窥镜光学系统的杂散光分析与抑制

基于光学系统结构研究了硬性内窥镜光学系统内部杂散光的成因及抑制方法,以提高其成像效果。通过Lighttools软件进行光线追迹,分析了硬性内窥镜光机结构的杂散光;通过杂光路径分析,提出光线在中继系统和物镜组中发生全反射是硬性内窥镜存在杂散光的原因,由此研究了相应的杂散光抑制方法:即调整物镜组结构控制系统中光线传播的路径,并在光学系统优化过程中加入相应的控制条件。最后,采用提出的方法设计了视场角为70°,透镜直径为2.7mm的高成像性能消杂散光硬性关节镜。验证实验显示,研制的硬性内窥镜光学系统在100lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均在0.4以上,逼近衍射极限。光线追迹结果表明,在物镜组中消除杂散光可避免光线在棒镜内壁全反射,完全消除杂散光并保证良好的像质。     

用近轴近似方法计算二次反射杂散光

杂散光是高性能光学系统中影响象质的主要因素之一。光学系统中杂散光的来源很多,要减少和抑制它,需要从光学设计、结构设计和工艺等方面来努力,这也是当前为提高光学系统质量的一个重要研究课题。光学系统各成对光学表面间的二次反射光是杂散光的主要来源之一。本文推导了用近轴近似方法计算二次反射杂光率的公式,论述了用此公式进行实际计算的方法,给出了计算程序的框图,并列举了按此程序所计算得的结果。最后,根据对计算结果的分析,得出了一些有益的结论。     

折反式眼底相机光学系统设计

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48mm工作距离的折反式眼底相机光学系统。设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正。建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路。照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光。成像光学系统可在-10～+10m-1调焦,物方各视场分辨率为33lp/mm,系统畸变小于8.5%;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15%以内。实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求。     

Design of optical system for catadioptric fundus camera

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48 mm工作距离的折反式眼底相机光学系统.设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正.建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路.照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光.成像光学系统可在-10～+10 m-1调焦,物方各视场分辨率为33 lp/mm,系统畸变小于8.5％;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15％以内.实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求.     

平面衍射光栅分辨率、杂散光测试仪的设计

文章简要说明了测定衍射光栅分辨率、杂散光的意义和测定分辨率、杂散光的方法。从光学系统的象差考虑，确定了测试仪器的总体布局；计算了仪器主体光学系统的若干参数，给出了仪器的技术指标。     

用于高精度卫星姿态测量的大相对孔径 高杂光抑制比星敏感器光学设计

星敏感器是卫星高精度空间姿态测量与飞行控制的关键仪器。 针对低阈值星等、大视场等特殊需求,设计了焦距 55 mm,相对孔径 1 / 1. 1,视场角 17°×17°的星敏感器光学系统。 基于无热玻璃图方法,通过光学玻璃材料与机械结构材料的 温度特性匹配优化,实现了光学被动式无热化设计。 完成两级遮光罩与挡光环的消杂光结构设计,利用非序列光线追迹完 成视场内成像光线鬼像分布与视场外杂散光仿真分析与计算。 结果表明,星敏感器光学系统各视场弥散斑半径 RMS 小于 4. 5 μm,2×2 像元内能量集中度≥96% ,-35℃ ~ 45℃ 大温差下各视场的 MTF 在截止频率处均大于 0. 6,畸变优于 0. 05% 。 45°规避角外杂光 PST 达到 10 -8 量级,像面处各阶鬼像光斑半径均大于 0. 8 mm。 星敏感器光学成像质量与杂光抑制满足高 精度姿态测量要求。     

CO2探测仪光学系统设计

设计并架构了CO2探测仪的光学系统。通过对比国外典型大气温室气体探测仪采用的光学系统,总结了光栅与傅里叶变换两种分光方法的优缺点,确定设计的CO2探测仪采用大面积光栅色散光谱仪系统,该光学系统包括前置光学系统和三通道光栅光谱仪系统两部分。前置光学系统由无焦双离轴抛物面系统、2个分束器和3个聚焦透镜组组成,采用了多种消杂光措施,有效抑制了杂散光。光栅光谱仪的3个通道采用相同的结构,工作在相同的偏离角下;根据光栅方程推导了固定偏离角下光栅参数的计算方程,确定了3个通道的光栅参数;透镜采用低膨胀熔石英材料;大面积光栅工作在大入射角、大衍射角状态,工作波段内的光栅衍射效率可达90%以上。对光学系统的分析测试显示:通过在光谱仪系统放置0级光陷阱等消杂光措施,可将杂散光控制在10-5以下,空间方向的MTF大于0.9,光谱分辨率达到0.035nm(@760nm),实现了20点同步观测。由于相对孔径较大(F1.8),提高了集光能力。结果表明,设计的光学系统满足温室气体探测的技术指标要求。     

一体式紧凑型折反光学系统设计

提出了一种一体式双反射结构以解决导引头前视红外系统中R-C双反射系统装调困难以及在导弹飞行过程中次镜支架的稳定性问题.该结构将主次镜集成在一个透镜前后表面,通过对透镜前后表面进行加工并涂敷内反射膜来实现双反射镜一体化.如此配置使系统装调只需针对整个透镜,从而降低了装调难度,提高了结构的稳定性.设计了适用于中波红外的紧凑型二次成像光学系统,该系统像质优良,各视场光学传递函数均大于0.6,接近衍射极限,并可利用二元衍射光学元件在-40～60℃实现光学被动消热差.最后进行了公差分析,并针对该光学系统列举了一些抑制杂散辐射的方法,实验显示系统满足实际加工和应用需求.     

紫外平面刻划光栅杂散光数值分析及测量方法

杂散光是光栅的重要技术指标,它直接影响光栅的信噪比,尤其紫外波段的杂散光对光谱分析更为不利。为了考察平面刻划光栅在光谱仪器中使用时产生的杂散光,采用基于传统Fresnel-Kirchhoff衍射方程导出的杂散光相对强度表达式,数值分析了杂散光产生的原因。数值模拟结果表明,紫外平面刻划光栅刻槽周期随机误差以及刻槽深度随机误差是杂散光的主要来源,而光栅杂散光对光栅表面小尺度随机粗糙度并不敏感。另外,提出了平面光栅光谱仪出射狭缝相对宽度的概念,并数值分析了仪器出射狭缝高度及出射狭缝相对宽度与杂散光强度的关系。此理论分析方法分别为如何在光栅制作工艺中从根源上降低光栅杂散光以及在光栅应用过程中从使用方法上降低光栅杂散光提供了理论参考依据。最后,为了与采用滤光片法测得的光栅杂散光实验值进行比较,给出了理论求解杂散光总强度的求和公式,并对四个不同波长的杂散光进行了多次测量,使理论值和实验值的相对误差控制在13%左右。     

光学系统的杂光计算分析

探讨了光学系统杂光分析方法,[提出了鬼像判别依据,在修改小镜面散射理论中几何遮挡因子(Geometrical Masking-shadowing Factor)基础上,抽象出光学系统中表面粗糙度σ_m/λ≥1.0,的表面双向反射分布函数(BRDF)模型,同时应用矢量微扰理论给出表面粗糙度σ_m/λ<<1.0的 BRDF 模型,并编制杂光分析程序     

TMA相机中抑制杂散光的结构优化分析

针对离轴三反(TMA)结构相机消杂光问题,提出结构优化设计方法,即采用三种措施对关键表面结构进行优化设计,在弱化或遮挡杂散光路的基础上开展精细化仿真,降低关键表面的双向反射分布函数(BRDF)。结果表明:在关键表面添加挡光板组的方式可以获得极佳的抑制效果,降低消光漆的使用要求,减少工艺难度。     

全息离子束摆动刻蚀凸面闪耀光栅制备技术

高衍射效率的凸面闪耀光栅是高光谱分辨率成像光谱仪的核心分光元件,其制作方法包括机械刻划法、电子束直写法、X射线光刻法、全息离子束刻蚀法等,其中全息离子束刻蚀法因为具备良好的各向异性,不受尺寸与曲面形状限制,杂散光低,完全没有鬼线,制造时间短等优点成为现今光栅制造领域常用方法之一。传统全息离子束刻蚀凸面光栅时基底的弯曲会导致槽形闪耀角的不一致性,并且在制作小闪耀角凸面光栅时基底表面会有部分区域无法被刻蚀和槽形曲面不连续的现象,而摆动刻蚀凸面闪耀光栅可以克服上述缺点。对全息离子束刻蚀方法制作凸面闪耀光栅多方面进行了综述。     

紫外平面刻划光栅杂散光数值分析及测试

杂散光是光栅的重要技术指标,它直接影响光栅的信噪比,紫外波段的杂散光对光谱分析尤为不利.为了考察平面刻划光栅用于光谱仪器时产生的杂散光,采用标量衍射理论数值分析了杂散光产生的原因.数值模拟结果表明,紫外平面刻划光栅刻槽周期随机误差以及刻槽深度随机误差是杂散光的主要来源,而光栅杂散光对光栅表面小尺度随机粗糙度并不敏感.提出了平面光栅光谱仪出射狭缝相对宽度的概念,数值分析了仪器出射狭缝高度及出射狭缝相对宽度与杂散光强度的关系,从而分别为在光栅制作工艺中从根源上降低光栅杂散光以及在光栅应用过程中从使用方法上降低光栅杂散光提供了理论依据.最后,为了与采用滤光片法测得的光栅杂散光实验值进行比较,给出了理论求解杂散光总强度的求和公式,并对4个不同波长的杂散光进行了多次测量.结果表明,当刻槽周期随机误差、刻槽深度随机误差和表面随机粗糙度分别取0.8 nm、 0.5 nm和1.2 nm时,理论值和实验值的相对误差可控制在13%左右.     

LCoS微型投影光引擎杂散光分析与抑制

为抑制LCoS光引擎的杂散光,在TracePro软件中建立了光引擎的光机模型,运用蒙特卡罗方法对该系统的杂散光进行了分析。通过仿真模拟及实验发现PBS棱边、成像透镜边缘、镜片隔圈以及镜筒内表面为产生杂散光的关键面。为此使用挡光片、表面发黑、镜片边缘及隔圈涂黑等方法对杂散光进行抑制。仿真及实验均表明上述方法可有效抑制杂散光。     

Lymanα与可见光双波段内掩式日冕仪

太阳是地球能量的主要来源,太阳活动和变化对地球影响极大。为了满足天文学家对太阳观测和研究的需求,设计一种新型Lymanα和可见光双波段内掩式日冕仪(SCI日冕仪),能够在121.6 nm和700 nm两个波段同时对日冕进行高分辨率成像观测。根据太阳在121.6 nm和700 nm日面与日冕的辐射特性确定仪器的参数,给出了日冕仪的初始结构,建立评价函数对初始结构进行优化。分析了日冕仪光学系统的成像性能和各个光学元件产生杂散光对成像性能的影响,确定影响系统杂散光抑制水平的主要光学元件和机械结构,提出了对光学元件表面粗糙度的要求,给出了里奥光阑的位置和通光口径。还设计了日冕仪光学反射镜和光学分色镜的膜系结构,实现了对内日冕在121.6 nm和700 nm两个波段的同时成像。实验结果表明:SCI日冕仪视场覆盖1.1~2.5个太阳半径(Rs,取1 Rs=0.267°),空间分辨率优于4.8″,杂散光抑制水平在1.1Rs处优于10-6量级,在2.5Rs处优于10-8量级,满足观测需求。     

航天消光黑漆双向反射分布函数的测量与应用

为了了解经过消光黑漆(Z306)喷涂处理后航天相机遮光罩表面对杂散光的散射特性,对喷涂了Z306的铝板样品进行了双向反射分布函数(BRDF)测量和建模分析。通过测量获得了黑漆样片在0.65μm波段的BRDF值。结合Z306黑漆测量数据的散射特征,选择了适合粗糙黑漆表面的Microfacet-based模型,并对模型进行了修正。使用修正的Microfacet-based模型对测量数据处理并建模,得到了样片整个半球空间的BRDF数据,弥补了测量数据量少和测量误差带来的缺陷。将黑漆的BRDF数据代入软件,分析并进行了光学系统杂散光测试验证。结果表明:采用修正的Microfacet-based模型处理黑漆的BRDF后,分析光学系统杂散光(点扩散函数,PST)得到的结果与实际测量的杂散光(PST)的一致性很高,实测值与分析值比值的对数精度优于0.5。得到的结果证明了BRDF建模的必要性和数据处理的准确性,为光学系统的杂散光抑制提供了重要的保障。     

双面二维硅微条探测器的沾污失效分析及修复

硅微条探测器通过微电子工艺制作,易因沾污导致性能下降甚至失效;裸露的键合引线,也易因机械力形成隐性或显性失效。对上述现象的研究可用于修复、维护探测器并在设计和工艺流程中改进其性能。本文通过光学、电气手段分析其结构和制作工艺流程,根据沾污性质在不同条件下清洗探测器,中测后根据芯片图形、封装方式和电气要求修复探测器,最后采用同位素α能谱测试修复效果。对一块沾污后失效(无法加载偏压)的硅微条清洗后在大气环境,N面接地,P面加载负偏压条件下进行了测试,结果显示:170 V全耗尽,平均漏电流2.94μA,5.486 MeV的α峰能量分辨率约1.28%。失效键合所在条的另一面各条能谱观测到假峰,键合修复后消除。因沾污失效的硅微条探测器经过合适的清洗、修复,部分可以恢复性能,但清洗对表面和结构有损伤,须谨慎。另外,键合失效后,因信号不能引出导致的电荷积累会通过电容效应影响其它灵敏区。文章提示,探测器应存放于洁净,恒温,低湿度,避光,避强电磁干扰的环境,以提高能量和位置分辨率,并增加工作稳定性,延长使用寿命。