基于光程变化量的反射式光学系统敏感度理论分析与降敏设计方法

光学系统的最终性能不仅取决于其理论设计结果,更重要的是取决于光学系统建造过程中对于面形加工、装调位置和系统稳定性等误差因素的控制。为了探究反射式光学系统误差敏感度的影响因素及规律,以同轴两反式光学系统作为研究对象,提出了采用失调误差引起的光程变化量作为光学系统误差敏感程度的评价标准,理论推导了由反射镜位置失调因素引起的光程变化量的数学解析表达式,通过一套标准Ritchey-Chretien系统,并应用光线追迹的方法,计算了在各项失调扰动情况下所产生的实际光程变化量,与理论推导值对比,相对误差均在1%左右,证明了光程变化量理论表达式的正确性。在光程变化量理论研究的基础上,提出并建立了基于光程变化量作为评价准则的同轴反射式光学系统降敏设计方法。以一个焦距为5 600 mm的同轴两反系统为例,通过15轮迭代优化,设计了同时满足光程变化量与波像差指标的光学系统,并通过光程变化量与波像差改变量的关系,验证了光程变化量作为敏感度评价标准的正确性和降敏设计方法的有效性。     

用光电传感器实现定位自动化

近年来,生产现场的无人化和自动化发展迅速,其不可或缺的要素之一——定位传感器的需求也与日俱增。外接触式定位传感感器包括光电式、磁力式和静电式等。特别是光电式(光电传感器),由于其检测距离远和被检测物不受限制等,因而通用性强,被广泛应用。本文以使用光电传感器(光电开关)的定位技术为主,结合具休实例加以说明之。光电传感器的种类及选定光电传感器按检测形态大致可分为透射式、镜—反射式、以射式3种。反射式又随光学系统的不同而分为扩散反射式、限位反射式和符号读出器几种。而采用光纤的传感器,依靠光纤变换,均能用于反射式和透射式,且其检测部位是很小的点,因而最近尤为引人注     

反射式牛顿-施密特光学系统设计

透射式施密特校正板在使用上受到口径和波段的限制,所以需要展开对反射式系统的研究。从三级像差理论出发,并考虑到离焦量引起的焦距变化,推导反射式牛顿-施密特校正板方程式和各种消像差条件,并求解出反射式牛顿-施密特光学系统。材料选择方面反射材料比透镜材料更容易得到,更重要的是反射镜不产生色差。文中得出的公式经具体实例证实是正确的,可以作为光学系统设计的理论基础。     

应用SiC反射镜表面改性技术提高TMC光学系统信噪比

为了消除SiC反射镜的固有缺陷,提高反射式光学系统的信噪比,使用SiC表面改性技术对同轴三反射(TMC)光学系统的SiC反射镜进行了处理.首先,应用等离子体辅助沉积(PIAD)技术沉积了一层Si改性层,接着对改性层进行精密抛光,然后在反射镜表面镀制Ag膜和增强膜,最后获得了表面改性对TMC光学系统信噪比的影响.Wyko轮廓仪测试表明,SiC反射镜的粗糙度R_a由10.42 nm降低到了0.95 nm;镀制高反射膜后,主镜、次镜、三镜及折叠镜在0.5～0.8 μm可见光波段的反射率＞98%.计算结果表明,应用了表面改性技术后TMC反射式光学系统的信噪比提高了5%以上,说明SiC表面改性技术是一种提高TMC光学系统信噪比的有效方法.     

共孔径消热差红外双波段光学系统

设计了适用于制冷型320×256中波红外凝视焦平面阵列探测器和320×256长波红外凝视焦平面阵列探测器的共孔径消热差折反射式红外双波段光学系统。该系统在中波3.7~4.8μm,长波7.7~11.7μm,环境温度10~40℃下工作,其焦距为292mm,视场角为1.56°×1.875°,F/#为1.93,满足100%冷光阑效率。设计的系统共用主镜、次镜和准直镜组,利用分光镜实现中波红外、长波红外光谱分光,后接各自的校正镜组校正剩余像差。给出了设计原理、设计过程和工程设计时需考虑的一些因素,通过选择合适的光学材料、机械材料和分配光焦度,实现了两路系统在10~40℃环境温度下具有良好的成像性能。该系统成像质量良好、可加工性好、装配难度小、工程可实施性强。     

光电跟踪仪目标仿真系统设计

舰载光电跟踪仪需全天候工作,具有信息量大、可视性强、分辨率高等特点,是舰船情报系统的重要组成部分。设计了一种针对舰船和空中目标进行光电跟踪的仿真系统,介绍了该系统的组成和仿真软件的功能模块,通过对该系统的静态和动态目标跟踪能力分析与测试,证实该系统可以对舰载光电跟踪仪跟踪能力进行全面的测试。     

某型舰载发射装置后坐缓冲技术试验研究

为减小某新型舰载发射装置后坐力,采用压溃式材料进行后坐力缓冲试验,通过压溃式材料吸收发射装置后坐力.通过舰载发射装置实弹射击采集后坐力曲线,设计缓冲试验装置模拟舰载发射装置后坐力,并对缓冲材料进行冲击试验,对比分析不同状态缓冲材料的缓冲效果.试验分析表明,3 mm晶胞、10 mm厚度的泡沫铝材料缓冲下后坐力峰值为基准峰值的46.91％;3 mm晶胞、20 mm厚度的泡沫铝材料缓冲下后坐力峰值为基准峰值的43.29％;5 mm晶胞、20 mm厚度的泡沫铝材料缓冲下后坐力峰值为基准峰值的54％.经缓冲后作用力持续时间可延长2～3倍,缓冲效果良好,缓冲技术方案可行.     

红外光学系统

由于目前可供选择的红外透镜材料不多,而红外光学系统透过的波段又往往很宽(例如8～14μ),因此红外光学系统大多采用非球面反射式系统或折反射式系统,以便用较少的面数尽可能减少一些象差。此外,在某些导弹的红外导引头和搜索跟踪系统中,为了对视场扫描,红外光学系统中的某几块镜子可能与整个光学系统不同轴。非球面、非同轴系统的光学设计问题是本文讨论的重点,因为它是与一般可见光系统不大一样的,并且也是一般应用光学书籍上所不容易找到的。     

光电跟踪系统Φ1000mm主镜的装调

1 000mm口径主镜的光机装调质量直接影响望远镜光学系统的成像效果。为了改善大口径光电跟踪系统的成像质量,本文对主镜的装调技术进行了研究。首先,对影响主镜面形精度的误差进行分配;其次,结合具体的主镜支撑结构的形式,采用典型装调方法对800mm口径主镜进行详细的装调研究,实时测得主镜的面形精度;最后,综合分析产生装调误差的来源,提出了一种加工、检测、装调一体化的高精度装调方法。该方法使得1 000mm主镜在装调后的面形精度波像差RMS值达到了λ/40,在提高装调质量的情况下显著提高了装调效率。     

舰载光电成像系统探测能力分析

归纳了远目标经过光电成像系统到输出清晰图像的过程中需满足的条件,针对相应的指标要求,分析了光电系统的分辨率、几何探测能力和像面照度,确定了光学镜头的焦距、相对孔径等主要设计参数.综合考虑大气传输、光学系统及CCD探测器等影响因素,讨论了整个舰载光电系统的对比度和探测能力,对光学系统的各项性能参数进行了优化匹配.最后,在外场试验中基于所研制的光学镜头验证了舰载光电系统的探测能力,结果显示其满足探测距离≥18 km的指标要求,表明所提出的理论分析合理可行,可用于车载及机载光学系统设计.     

大口径非球面系统的共基准加工与检验

针对大口径离轴非球面系统加工与装调的难点,提出了非球面光学系统共基准加工与检测的方法,对该方法的基本原理和实现过程进行了分析和研究。当光学系统的主镜和第三镜面形的RMS值优于λ/10(λ=632.8nm)时,对主镜和第三镜进行共基准装调和测试,并进行背板一体化装嵌,然后利用离子束对其进行一体化共基准加工。结合工程实例,对一大口径非球面系统口径为724mm×247mm的非球面主镜和口径为632mm×205mm的第三镜进行了共基准加工与检测,最终利用离子束共基准一体化精抛光得到主镜和第三镜面形的RMS值分别为0.019λ和0.017λ,满足光学成像。     

应用RIM-FOS测量柴油机缸套-活塞环油膜厚度的可行性分析

提出了一种应用反射式强度调制型光纤传感器(RIM-FOS)测量柴油机缸套-活塞环油膜厚度的新方法。介绍了反射式强度调制型光纤传感器的结构和工作原理,并给出了应用RIM-FOS检测柴油机缸套-活塞环油膜厚度的可行性分析和检测装置的设计概要。     

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。     

轴向温差对空间遥感器光学系统成像质量的影响

利用有限元分析计算了轴向温差对主、次镜面形的影响,对光学系统成像质量进行了评价。用PATRAN软件建立有限元模型,用NASTRAN/NT有限元分析软件完成温度场的分析计算。用Zernike多项式曲面拟合系数表示轴向温差对主、次镜面形的影响,通过ZEMAX软件分析对光学系统成像质量的影响,实现了热分析与光学分析的接口。结果表明:轴向温差不仅使光学系统产生像面位移—离焦,而且将产生各种像差,降低光学系统的成像质量,所以在调焦的同时,必须采取温控措施。最后给出了轴向温差具体的温控指标,主镜的轴向温差为0.8 ℃,次镜为1.0 ℃,主、次镜之间为3.0 ℃。     

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.     

长焦距大口径连续变焦距光学系统

为了实现对远距离目标的实时跟踪与测量,设计了口径为650 mm,焦距为5 000~2 000 mm的连续变焦距光学系统。提出了牛顿式折反射光学系统与倒置的连续变焦距光学系统组合的设计方法,实现了光瞳的合理匹配与对接。确定了合适的入瞳位置,消除了变焦过程中像面容易产生的鬼像。通过合理匹配主系统和变焦距系统的光焦度,使得二级光谱最小化。运用CODEⅤ软件对各焦距位置的像差进行优化与平衡,使变焦距光学系统在各焦距位置的像差均得到校正与平衡,像面保持严格的一致性,从而各焦距位置成像质量良好。实验显示该系统全视场平均传递函数均在0.524以上（Nyquist频率：35 lp/mm）,满足使用要求。     

微型化血液中CO检测专用仪的研制与应用研究

目的基于双波长还原检测法构建微型化血液中CO检测专用仪。方法装置以发光二极管(LED)为光源,结合半透半反镜对LED光强进行校正,聚醚醚酮(PEEK)模块制作检测通路,辅以光电转换、数据处理、结果显示等组件。结果整机重量仅为540 g,尺寸为14 cm×12 cm×6.3 cm;检测池体积小于10μL,总样品消耗量小于400μL,有效光程10 mm,检测时间小于5分钟。结论可满足临床及刑侦对血液中CO含量现场快速检测的需求。     

基于偏振分像的制冷器件晶粒双面等光程共焦成像缺陷检测装置

针对待测晶粒大的情况,为解决晶粒双面检测时双面之间产生光程差导致的的成像清晰度问题,提出了一种基于偏振分光成像法的半导体制冷器件晶粒相邻双面同时成像缺陷检测的装置。利用偏振分光器与直角转像棱镜对采用偏振分束器与偏振相机的晶粒天面和侧面同时等光程共焦成像检测装置进行了光学设计,完成了晶粒相邻双面同时等光程偏振成像缺陷检测的实验验证。结果表明,该偏振分光成像检测技术可以实现晶粒相邻面的同时缺陷检测,并能很好地满足相邻面等光程成像缺陷检测的性能要求。当晶粒相邻面等光程共焦时,检测分辨率可达到110 lp/mm以上,而当晶粒相邻面离焦（准共焦）仅±0.20 mm时,分辨率则降至45 lp/mm以下。本检测装置具有双面成像清晰度好、成像光路共焦调整方便、检测装置结构简单可靠,以及提高的缺陷检测性能等优点。     

基于拟合算法的傅里叶变换光谱仪光谱反演

在傅里叶变换光谱仪(FTS)中,精确获取每个干涉信号采样点处的光程差是获取光谱图的关键。动镜速度的波动会对等时间采样造成采样误差,而当目标光源波长较短时无法直接利用传统方法进行等光程差采样。分析了速度波动误差对光谱的影响,并提出了一种基于拟合算法计算干涉信号每个采样点处光程差的方法,在动镜速度波动较大的情况下对可见光波段的干涉信号进行采样反演。实验结果表明,此方法准确度高,适用于各种傅里叶变换光谱仪。     

热障涂层折射率与厚度的太赫兹无损检测

精确提取陶瓷层（Top coat,TC）与热生长氧化层（Thermally grown oxide,TGO）层在太赫兹频段的折射率是进行热障涂层（Thermal barrier coatings,TBCs）太赫兹无损检测研究的重要条件。由于对涂层样品只能采取反射式测量,所以首先比较了反射式与传统透射式测量条件下提取样品太赫兹光学参数及厚度的结果,随后利用反射式太赫兹时域脉冲成像系统提取等离子体喷涂的8YSZ热障涂层（TBCs）中TC层与TGO层的折射率,并依据所提取折射率进一步对TC层的厚度分布进行测量及成像。试验结果表明在材料中衰减较小的有效频段下反射式测量同样可以精确提取样品的折射率以及厚度,反射式测量TC层的平均折射率为5.23,TGO层的折射率为2.91,TGO的主要成分α-Al₂O₃的折射率为2.85。TBCs样品中TC层的平均厚度为257 μm,从TC层厚度的太赫兹图像中可观察到TC与粘结层（Bond coat,BC）界面的不均匀程度。反射式太赫兹无损检测可精确提取TBCs中TC与TGO的折射率和厚度,这对于TBCs中裂纹和气泡等缺陷的识别以及TGO生长太赫兹检测具有重要意义。