基于微梯形弹光晶体的大光程差PEM研究

针对目前基于弹光调制器(photoelastic modulator,PEM)的傅里叶变换光谱测量技术(PEM-FTS)的光谱分辨率低,并且PEM调制光程差有限、多次反射对入射光斑大小要求高且光能利用率低等缺点。提出一种基于微梯形八角结构弹光晶体的大光程差PEM方法。通过改进弹光晶体结构,使其为微梯形八角结构,两个通光面略微成一定夹角,该结构PEM不仅可以有效提高PEM调制的最大光程差,而且对入射光斑要求较小。理论推导分析了该PEM的最大调制光程差,并推导得出任意角、任意位置入射时PEM的最大调制光程差公式;通过多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics 4.3a对PEM的振动模态和应力分布进行分析;结合PEM的最大调制光程差和光能利用率,分析了寻找最佳入射角的方法。设计加工该PEM,其中弹光晶体选用硒化锌晶体,压电晶体选用压电石英晶体。采用波长为632.8 nm的氦氖激光进行实验分析,实验结果显示,在相同驱动电压下,该PEM的最大调制光程差是普通PEM的19.25倍,与理论仿真的相对误差为1.3%。     

一种基于空间光程差调制的条纹位置测量方法

提出了一种基于空间光程差调制的条纹位置测量方法,用于恒星干涉仪条纹搜寻和条纹追踪.来自基线两端的两光束合束时,通过合束器在两光束之间引入一个倾角,用以实现静态的空间光程差调制.使用成像透镜将静态光程差调制得到的白光干涉条纹成像到CCD探测器上.白光条纹位置的偏移与两光束之间的光程差大小相关,使用获得的干涉条纹实时计算白光条纹位置,测量出两束光之间的光程差,用于延迟线的实时光程差补偿,从而可以稳定干涉条纹.数值模拟和实验结果表明,采用该方法获得的最大光程差测量误差为0.159μm,小于数值模拟和实验所用宽带光的平均波长0.555μm,测量精度满足条纹相干的要求.与时间调制方法相比,该方法原理和算法简单,且对于大气扰动更不敏感.     

猫眼动镜横移误差容限及次镜倾斜分析

介绍了猫眼动镜干涉光谱仪的基本原理和三种猫眼镜,分析了猫眼动镜的横向偏移对干涉图的影响,推导了横移所产生的最大附加光程差公式,从相位误差角度给出了猫眼动镜的横移误差容限公式并得到了在典型参量下的定量数据.分析了猫眼镜次镜倾斜对光程差的影响,导出了次镜倾斜所产生的最大附加光程差公式,并给出了在典型参量下最大附加光程差与次镜倾角之间的关系图.     

VISAR准零程差调试方法研究

介绍了任意反射面速度干涉仪(VISAR)中马赫-曾德干涉仪必须满足的准零程差条件.根据白光光程差调试精度高但不易相干的特点,提出了先利用激光粗调,再利用白光调试来实现零程差精密调节的方案.详细分析了激光粗调马赫-曾德干涉仪的调试原理、调试精度以及光程差不确定性.针对光程差不确定性,提出了改进的激光粗调方案,将光程差调节精度由毫米量级提高到微米量级,大大减小了白光调试的盲区,使白光精调变得简易可行.干涉仪最终光程差调试精度为1.6 μm.     

反射转镜式干涉光谱仪光程差的一般表达式

对反射转镜式干涉光谱仪的原理进行了介绍,从马吕斯定律和角反射体的反射特性入手,选择转镜反射面的旋转中心作为入射光束和出射光束等波面的参考点,对反射转镜式干涉光谱仪的光程差进行了分析计算,给出反射转镜式干涉光谱仪任意时刻光程差及最大光程差的一般表达式,分析影响最大光程差和光程差变化周期的因素,为反射转镜式干涉光谱仪的设计与研制提供理论指导。     

全景三维立体头盔显示光学系统设计

为了满足全景三维立体头盔显示器(HMD)对大视场(FOV)、小畸变、高分辨率以及轻量化的要求,设计了全景三维立体HMD的目视光学系统。采用4×3阵列式排列的12组相同的FOV角为33°×24°的高质量成像的目镜光学系统拼接成单眼目视光学系统,实现系统的大FOV设计。利用二元衍射面和非球面校正目镜光学系统的初、高级单色像差以及色差;使用有机光发射二极管(OLED)微显示器作为图像源,设计结果表明:单眼目视光学系统水平FOV达到120°,垂直FOV为60°,角分辨率为43pixel/(°);传递函数在45lp/mm处轴上FOV高于0.68,周边FOV高于0.45,系统畸变小于0.2%;系统的双目FOV为160°×60°,双目FOV重叠为80°×60°,系统重量约为91.2g。系统设计满足头盔显示光学系统的成像要求,并且实现了系统的轻量化以及低成本。     

遥感、空间光学仪器

P415.342007010937风场探测干涉仪中基准光程差的选择原理=Selectiveprinciple of fixed optical path difference of wind measure-ment interferometer[刊,中]/汪丽(中科院西安光机所空间光学研究室.陕西,西安(710068)),赵葆常…//光子学报.—2006,35(8).—1254-1258为了确定风场成像干涉仪(Wind I maging Interferom-eter,WINDII)中存在的基准光程差的值,首先从风场探测机理出发,分析了影响基准光程差的因素,针对WINDII分别从调制度、相位及相近谱线同相的要求三个方面加以剖析,依次获得了它们与基准光程差之间的定量关系,综合考…     

像平面式干涉成像光谱仪光程差分析与计算

像平面式干涉成像光谱仪的光程差(OPD)线性度与光谱及图像重建精度直接相关。分析了光程差产生原理,通过分别对单个像面的正离焦及负离焦部分光程差进行讨论,给出了像平面式干涉结构在单侧及双侧离焦模式下的光程差表达式,并对两者在不同波长满足奈奎斯特条件时的光程差及其非线性残差进行仿真,并通过实验验证。仿真结果表明:系统在两种工作模式下的光程差非线性残差均随像面夹角增加而增大,单侧离焦模式零级点两侧光程差不对称,且负离焦部分残差较小;双侧离焦模式零级点两侧光程差对称,但非线性残差大于前者。实验结果表明,当工作波长较短时(如紫外),单侧离焦模式负离焦部分在实际应用中可认为满足光程差线性分布关系。     

弹光调制干涉图最大光程差的稳定性及检测技术研究

为了提高弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTs)中复原光谱的准确度和稳定性,有必要对弹光调制干涉图的最大光程差的稳定性和检测技术进行研究。弹光调制干涉图的最大光程差是一个不确定量,与弹光调制器的谐振状态、频率温漂特性以及驱动电压等因素有关。因此,本课题在研究弹光调制干涉仪工作机理基础上,建立弹光调制器的频率温漂模型和光程差变化关系;提出以驱动信号为基准,对激光干涉信号过零计数的方式实现干涉图的最大光差检测,且将双通道的高速比较器与FPGA相结合,实现正弦波到方波转换、快速的过零计数和误差补偿。经试验验证,采用670.8 nm的激光为参考光源,通过过零计数的方式,能实现最大光程差77.471 μm的检测,其测量误差小于0.167 nm,复原的红外黑体光谱的最大峰值波长偏差小于2 nm。     

基于光纤Mach-Zehnder干涉仪多普勒激光雷达鉴频器的校准及风速探测(英文)

分析了光纤Mach-Zehnder干涉仪作为鉴频器的多普勒激光雷达风速探测灵敏度及动态范围与光程差的关系.当光纤Mach-Zehnder干涉仪光程差从0.1 m变化到1.5 m时,对应风速探测范围从±199.5m/s变化到±13.3m/s.光程差为0.45m时,风速变化1m/s对应的最高灵敏度为2.15%.光程差误差将导致风速反演误差.当光程差为0.145 9m和1.088 9m时,1nm的光程差误差将导致反演风速误差分别为1.028m/s和0.138m/s.应用激光波长调谐的方法得到光纤Mach-Zehnder干涉仪的透过率曲线,由自由光谱范围精确确定了光程差的值.应用此干涉仪作为鉴频器的激光雷达完成了实际风速探测,反演风速与相干探测风速具有较好的一致性,证明了校准探测的正确性.     

Design and fabrication of fluid controlled dynamic optical lens system

A novel small fluid controlled optical lens system that is capable of displaying dynamic variation of its focal length and field-of-view (FOV) is designed and fabricated. In this active lens system, appropriate volume of the optical fluid can be pumped into or out of the lens chamber to provide double-convex (DCX) or double-concave (DCV) lens effect. Simple optical imaging experiments were performed using different sets of glass lenses with fixed focal lengths to determine the optimum lens configuration required for designing a dynamic optical lens system. The experimental results obtained from the glass lenses demonstrate that a combination of a single DCX lens with three DCV lenses provides a wider FOV. The flexible membranes for fluid controlled lenses were fabricated using polydimethylsiloxane polymer material, which has good optical transparency and elasticity. A simple fluid injection system is used to vary the radius of curvature of the lenses, and thereby to change the focal length. A dynamic optical lens system with a combination of one DCX and multiple variable focal length DCV lenses as designed here can image an object with a wide range of focal length and FOV. With this fluid controlled optical system, the FOV and focal length could be continuously varied and a maximum FOV of 118.3° could be achieved. The smallest f-number (f_/#) for this fluid controlled single lens system was found to be 1.3, which corresponds to the numerical aperture value of 0.35.     

分孔径探测系统通道间视场一致性度量方法

通道间视场一致性程度是分孔径探测系统的重要指标之一,准确判断视场一致性程度对于该类仪器的设计和装调有积极意义。介绍了视场测量原理和视场一致性度量原理;基于矩阵扫描测量视场的方法,提出了体积法和面积法两种度量分孔径视场一致性的方法;简要分析了不同情况下选用各种度量方法的优劣;并在实验室搭建了分孔径探测系统视场测量装置,测量了大气偏振辐射计通道间视场一致性程度。结果表明:即使装调光轴平行度高于95%,体积和面积一致性仍可能低于90%。单一方式难以准确度量视场一致性情况,多种方法混合使用可以更全面地了解仪器零件加工和装调情况。     

大动态CMOS APS的星敏感器光学系统主要参数设计

星敏感器广泛用于空间飞行器的姿态测量,为减少飞行器飞行过程中转动对星敏感器测量精度的影响,定量分析了捷联安装的星敏感器透光孔径、曝光时间、视场、焦距、像素数目与转速之间的关系,提出了大视场、短曝光时间、较少的像素都能提高星敏感器的动态。鉴于这三者之间是相互关联的,首先,由导航星的捕获概率确定了视场大小,然后,根据恒星辐射模型和CMOS有源像素传感器的噪声计算模型,确定了透光孔径、曝光时间。     

含多层衍射光学元件的折/衍射混合头盔目镜

基于对多层衍射元件的衍射效率的理论分析,设计了用于头盔显示器的含有多层衍射元件的60视场折/衍射混合目镜系统。系统在设计波段和整个视场范围内衍射效率均在90 %以上,提高了光能利用率和像面对比度。目镜的出瞳距离为22 mm,出瞳直径为8 mm。调制传递函数（MTF）在25 lp/mm时全视场均在0.38以上,满足VGA分辨率要求。目镜中畸变为4.8%,垂轴色差最大为10 m。整个系统结构紧凑,镜头总长26.8 mm,最大直径16 mm,全系统质量仅8 g,实现了光学系统的轻小型化     

红外目标等立体角标定和测量方法研究

为解决红外目标隐身效果评估过程中辐射计视场响应不均匀对测量结果的影响, 提出一种等立体角标定和测量的方法。采用同光路原理消除光学系统轴外像差造成的视场响应非均匀对测量结果的影响, 实现红外隐身目标辐射强度等参数的标定和测量。以标准黑体为测量对象, 采用本文提出的测量方法对其在(3~5)μm的积分辐射强度进行实验验证, 结果表明其测量值与标准值相对误差小于2%, 测量相对不确定度优于3.7%(k=2)。     

Design of optical system for head-mounted micro-display

Assembling one optical imaging system with 0.56″ liquid crystal on silicon (LCOS), we achieved one practical head-mounted micro-display system for civilian applications. The optical system consists of three refractive elements and one binary surface. It has a 32° field of view (FOV), a 10 mm exit pupil diameter, and a 20 mm eye clearance distance. Compared with the traditional optical system, the hybrid refractive/diffractive system has a longer working distance and can be used in higher resolution display with better image quality. Designing results indicate that the introducing of binary element in the system with smaller FOV could improve the image quality dramatically.     

Adaptive optics dioptric scanning ophthalmoscope with a wider field of view similar to those of normal ophthalmoscopes

We introduce a newly developed adaptive optics dioptric scanning ophthalmoscope (AO-DSO) in which all powered optical parts were refractive lenses instead of concave or convex mirrors. By designing dioptric optics, we were able to achieve a compact instrument with a 10 deg field of view (FOV10) and 1.5 deg field of view (FOV1.5) high-resolution imaging. Although the resolution of FOV10 was sacrificed because of the variation of aberrations of the eye over the 10 deg field, our system works with AO in the case of FOV1.5 and can be used as a scanning laser ophthalmoscope with good optical slicing in the case of FOV10. To test the ability of the AO-DSO, we performed imaging on a normal subject and on a patient with occult macular dystrophy.     

大视场航空相机光学系统设计

针对航空相机复杂的使用环境以及需在高速运动中进行高分辨率成像的特点, 设计了一种大视场航空照相机光学系统。该系统光学结构采用双高斯准对称结构形式,通过双成像模块光学拼接扩大视场角,调整最后一片透镜实现内置调焦,且通过控制地物反射镜的3种工作模式,分别实现航空相机垂直照相、自动调焦及前向像移补偿功能,避免了航拍过程中温度、气压、航高等环境条件变化时引起的图像质量大幅下降,确保整个视场内成像质量不受影响。该光学系统设计实现了全视场无渐晕, 全视场最大畸变＜0.5‰,在91 lp/mm处MTF接近衍射极限,物镜在全视场范围内成像质量一致。通过实验室及航拍试验验证,该光学系统具有成像清晰、视场大、可靠性高、体积小、质量轻等优点,满足了航空相机在比较复杂环境下清晰成像的要求。     

基于ZEMAX的大视场投影镜头设计

针对大视场投影镜头的设计问题,利用ZEMAX光学设计软件,通过各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制,并利用镜头架构的方式进行优化及大视场投影镜头的设计。其主要光学参量为:焦距为13.6 mm,全视场角为60°,相对孔径为1/1.6。设计结果表明:镜头的最大畸变量绝对值小于3% ,最大场曲小于0.06 mm,全视场MTF值在空间频率50 lp/mm时高于0.6,基本达到衍射极限。该镜头由10片球面镜组成,光学系统结构紧凑、易加工。