利用级联衍射光学元件对多波长混合光实现聚焦、整形和分光谱

衍射光学元件（Diffractive optical elements ,DOE）具有独特的色散特性和灵活的设计自由度,将多个DOE级联用于太阳能电池聚光系统可同时实现聚焦、整形和分光谱功能。文中给出了设计思想和算法,并用七波长混合光作入射光进行模拟,优化后在目标面得到七个形状规则且完全分开的均匀圆斑。将此级联结构应用到太阳能聚光系统可有效提高太阳能利用效率。     

利用级联衍射光学元件对多波长混合光实现聚焦、整形和分光谱

衍射光学元件(Diffractive optical elements,DOE)具有独特的色散特性和灵活的设计自由度,将多个DOE级联用于太阳能电池聚光系统可同时实现聚焦、整形和分光谱功能、给出了设计思想和算法,并用七波长混合光作入射光进行模拟,优化后在目标面得到七个形状规则且完全分开的均匀圆斑、将此级联结构应用到太阳能聚光系统可有效提高太阳能利用效率。     

级联相位恢复算法用于光学图像加密

提出用级联相位恢复算法把待加密图像综合到2块随机相位板(RPM)之中从而实现图像加密的技术。该算法利用同时调整2块RPM的相位分布的搜索策略,扩大搜索空间,能得到质量非常高的解密图像。计算机模拟结果表明,该算法的收敛速度很快,能迅速找到非常好的近似解;只有当2块RPM互相匹配时才能得到解密图像,使系统获得很高的安全性。     

利用冗余数据在衍射加密系统中实现二值图像无损恢复

提出了一种基于光学衍射的二值图像加密方法。该方法仅需记录单幅衍射强度图像,加密过程避免了干涉装置,提高了记录效率,且单幅密文的传输更为方便。在加密前,先提取原始二值图像的冗余数据作为密钥保存,再使用光学衍射图像加密方法对原始二值图像加密,得到的衍射强度图像即为密文。解密时使用相位恢复算法进行迭代运算,把先前提取的冗余数据作为输入平面的部分振幅支撑,使算法能够快速收敛,从而完全恢复明文。计算机模拟结果证实了该方法的有效性,也分析了其对剪切和噪音攻击的稳健性。     

基于级联随机共振与APSO算法相结合的信号检测方法

针对随机共振方法以系统的参数和噪声强度的匹配为研究背景的局限性,为解决级联双稳系统参数的合理选取的问题及克服自适应随机共振单参数优化的不足之处,提出了一种基于级联随机共振与自适应粒子群(APSO)算法相结合的方法。该方法以系统的输出信噪比为优化目标函数,采用自适应粒子群算法较强的全局搜索能力和粒子(待优化参数)的多样性,对级联双稳态随机共振的级联系统参数进行同步优化,使系统处于最佳随机共振工作状态。仿真结果表明,该方法可以提高输出信噪比及算法的收敛速度,实现良好的检测效果。     

基于级联变换的光学和SAR图像配准算法

针对光学和SAR(Synthetic Aperture Radar)图像配准中存在明显辐射和几何差异的问题,提出了一种基于级联变换的多源遥感图像配准方法.首先,利用灰度变换提取光学和SAR图像间的稳定结构特征,去除辐射差异性;然后,提出一种新的加权对数极坐标变换算法,解决图像间全局几何差异性,保证算法的尺度和旋转不变性,并初步得到整体的平移量;最后,通过局部几何变换,得到一系列的匹配点对,构建薄板样条模型,实现图像的精确配准.实验验证了算法去除辐射差异性和获得全局几何变换参数的能力,与传统的多源图像配准算法相比,基于级联变换的配准算法鲁棒性好,配准精度高.     

衍射光学技术发展历程及应用

衍射光学元件已广泛应用于光学传感、光通信、计算成像、激光光束整形、生物医学、光学数据存储等领域。首先，总结归纳了基于标量衍射理论衍射光学元件在各个阶段的发展脉络，衍射光学元件的发展可分为菲涅耳波带片、全息图及相息图、二元光学元件及衍射光学元件四个阶段，针对各阶段衍射元件分别分析其设计原理、结构特点、加工难度、衍射效率及在现实中应用可能性。其次，对基于矢量衍射理论衍射光学元件进行概述。最后，对当前衍射光学元件在传统和新型成像系统及非成像系统中的应用进行总结，整理出当前衍射光学元件发展中存在问题并根据对应问题给出未来发展趋势的预测，能够对今后衍射光学元件的研究有一定指导意义。     

以单幅衍射强度图像为密文的光学衍射成像加密系统

提出了一种基于光学衍射成像原理的图像加密方法,并以具有两个随机相位板的自由空间衍射结构为例,说明该方法的原理。该系统加密过程简单,加密过程只需要记录一幅衍射强度图像,即作为密文保存。为了从密文中完全恢复明文,需要除了3个相位板之外的第四个密钥,即原始图像的稀疏数据。这需要在对原始图像加密之前,利用数字方法提取其稀疏数据。在利用相位恢复算法恢复明文的过程中,这些稀疏数据作为输入平面的部分振幅支撑,可以避免迭代过程的停滞问题并提高收敛速率,从而完全恢复明文。由于完成加密过程只需要记录单幅强度图像,避免了干涉装置,提高了记录效率,较大地方便了密文的传输。计算机模拟结果证实了本方法的有效性。     

衍射光学元件在红外成像光学系统中的应用

介绍了衍射光学元件的优点,并举例说明衍射光学元件在监控、火控、无人机侦察等红外光学系统中的应用,给出了一个红外光学系统设计实例,在设计中使用了衍射光学元件,以补偿温度变化所产生的影响,通过与没使用衍射光学元件的红外光学系统的成像质量比较,表明使用衍射光学元件可以消除温度的影响,使系统在较大的温度范围内保持比较好的成像质量,可以满足军用光学系统的使用要求.     

相控阵AEW雷达杂波抑制的非均匀处理方法研究

非均匀环境对空时自适应处理(STAP)是一个挑战.采用一种先直接数据域(DDD)STAP后统计STAP处理的非均匀杂波干扰抑制级联算法,这种级联算法能有效补偿由DDD算法的空时孔径损失而引起的性能损失.此外,还提出了一种新的信号滤除方法,它可以用于实际AEW雷达系统的信号滤除.计算机仿真数据和某实测数据的处理结果验证了此方法的有效性.     

激光直写制备衍射光学元件的研究及应用

衍射光学元件作为一种典型的微光学元件,其体积小、质量轻、设计自由度多、成像质量良好,在光学成像、光学数据存储、激光技术、生物医学等领域具有广阔的应用前景。随着现代光学系统的不断发展,对衍射光学元件的加工效率和制备精度提出了更高的要求。激光直写技术凭借加工精度高、工艺简单、灵活性好等优势,成为制备高精密仪器中关键光学元件所必需的一种加工方式。针对不同的加工需求,开发了多种激光直写系统,并在应用过程中不断地改进升级。另外,突破衍射极限的飞秒激光微纳结构制造技术,能够获得更高的加工精度和更好的分辨率,为微光学元件的制备提供了新的方法。首先介绍了激光直写技术的特点;其次综述了衍射光学元件直写加工技术的研究进展,包括直写技术的影响因素、激光直写系统和多光束加工技术;接着介绍了衍射光学元件的典型应用,如红外成像、色差校正、光束整形、图像显示;最后,对激光直写技术制备衍射光学元件存在的问题和未来发展趋势做出了总结。     

衍射光学系统的激光应用和稀疏成像分析

近年来衍射光学系统得到了快速发展,衍射器件(如二元光学器件和膜基透镜)相当于微波天线的固定移相器,微波相控阵天线成熟的理论和方法应可用于其性能分析。激光SAR和激光通信都具有单色且波长较长的特点,特别适合采用非成像衍射光学系统,通过衍射器件实现信号波前控制,减小焦距并有利于系统的轻量化。基于衍射光学系统,研究激光SAR和激光通信技术具有重要的理论意义和应用价值。该文给出了衍射光学系统的相控阵解释,介绍了基于衍射光学系统已开展的机载激光SAR和星载激光SAR研究工作。提出了艇载1 m衍射口径激光通信和干涉定位系统概念并分析了其性能,该系统在10 m短基线下,其作用距离将达到4×108 km,对应的定位精度在6 km量级,可用于深空探测。该文同时探讨了稀疏采样激光成像问题,在激光照射目标条件下,提出用傅里叶透镜将激光图像信号变换到频域,在低频区域利用小规模探测器实施稀疏采样,等效进行2维低通滤波处理,再用计算机重构目标图像的设想,给出了一些初步的仿真结果。      

振幅自由度对衍射光学元件成像的影响研究

为了在衍射光学元件设计中提高再现像光强分布均匀性, 改善成像质量, 利用光场传播过程中一定存在泄漏的现象, 为目标图像增加了混合型振幅自由度, 优化了设计算法, 并设计了傅里叶变换型衍射光学元件, 验证了方法的有效性。结果表明, 增加振幅自由度后设计的元件的再现像光强不均匀性从14%左右降到了1%以下, 均方误差从10%左右降到了0.1%以下。该方法对Gerchberg & Saxton(GS)算法和模拟退火算法均适用。     

基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统设计

设计了一种基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统。此光学系统的工作波段为3~5¼m及8~12¼m,焦距为45 mm,F/#为2,双色探测器为320×256、30μm制冷型探测器。谐衍射光学元件改进了衍射光学元件在宽波段上的大色散问题,解决了衍射光学元件在宽波段上的色散严重和衍射效率低下的问题。该光学系统采用谐衍射光学元件消宽波段色差和宽温度范围热差,使中波红外和长波红外在不同衍射级衍射实现谐振共焦成像,使用较少光学元件,校正了双波段红外光学系统的像差和热差。基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统在改善像质、减小体积重量、宽波段消热差等方面表现出传统光学系统不可比拟的优势。随着双波段探测器和谐衍射透镜研发制造技术的进一步发展,双波段光学系统必将在目标跟踪、识别、精确打击等军工系统中得到广泛应用。     

衍射光学元件车削误差控制技术

衍射光学元件在光学系统中的应用越来越广泛,对衍射结构的加工质量提出了更高的要求。单点金刚石车削可直接加工出高精度衍射微结构表面,但衍射结构的位置误差和表面质量对其光学性能有较大影响。为了提高衍射光学元件的性能,需要精确控制其车削误差。基于此,分析了影响衍射元件加工质量的因素,建立了揭示位置误差、衍射面形状和刀具半径之间的关系的数学模型,揭示了衍射带位置精度影响规律。通过补偿加工提升基底表面质量来提高衍射曲面面形精度。结合仿真模型与粗糙度影响参数,指导车削刀具半径的选取。最后,基于仿真结果,选择半径为0.02 mm的半圆弧刀具加工,最终加工的衍射元件面形误差为292 nm,衍射环带位置误差最大为55 nm,高度误差最大为16 nm,粗糙度为5.6 nm。实验结果表明,该预测模型可以指导衍射光学元件高精度表面形貌的获取,有利于提高光学系统的成像质量,为高精度衍射光学元件的批量生产提供了技术支持,具有广泛的工程应用价值。     

双离轴衍射透镜的矢量设计算法

设计特征尺寸可与照射光波长相比拟的衍射光学器件时,必须采用严格的矢量设计算法.为克服传统搜索算法计算次数多、收敛速度慢的缺点,同时结合时域有限差分算法进行光场与衍射器件相互作用的矢量计算,提出了一种高效的迭代算法.利用该算法,设计了双离轴透镜,结果表明,该算法计算次数少、收敛效果好.     

采用衍射主镜的大口径激光雷达接收光学系统

衍射光学系统在大口径激光雷达接收器应用方面很有潜力。分析了衍射主镜引入的负色散对激光雷达成像质量的影响。讨论了插入高色散玻璃和基于Schupmann原理的两种消色差方案的优劣。基于Schupmann原理的消色差系统质量轻、像质好,系统光透过率在60%以上。设计了1 m口径、f/8、最大视场角1 mrad的激光雷达接收光学系统。成像质量接近衍射极限。     

实现光学被动热补偿的非制冷红外双焦光学系统

分析讨论了光学系统热补偿设计的几种方式,并基于衍射光学元件特殊的热差特性,将衍射元件应用于非制冷红外双焦光学系统实现光学被动热补偿。ZEMAX光学设计软件分析结果表明,该系统在规定温度范围内成像良好,温度对双焦光学系统的影响不大。     

Operational notation for the analysis and synthesis of optical data-processing systems

This paper describes an operational notation that characterizes basic optical elements as block diagrams and that, for bandlimited optical systems, gives results identical to those obtained by rigorous application of the Fresnel-Kirchhoff diffraction formula. In an analysis of a basic optical system in terms of this operational notation, it is shown how the system can perform either the imaging operation or the Fourier transform operation. Repeated application of this basic system results in cascaded systems that perform more complex operations.