光学合成孔径成像系统子孔径像差研究

根据波像差理论，推导了光学合成孔径成像系统单个子孔径存在各种像差时波面方差与子孔径数(N)的关系。推导结果表明，piston误差对系统的影响最大，其次是离焦误差、倾斜误差、球差、彗差和像散。运用离焦误差对piston误差、球差和像散进行像差平衡，其效果显著，特别是球差引起的波面方差下降90％。系统各项像差系数随子孔径数的增加而降低;当子孔径数大于6时，各像差系数变化缓慢。根据瑞利判据，计算N(N≤6)个子孔径合成系统的像差允限和相应的3孔径系统的斯特列尔比。     

双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达原理

提出了一种双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达系统,结构上采用正交偏振同轴双光束发射和偏振干涉自差探测结构,原理上应用波面变换产生双曲波前差照射光斑,因此通过目标的相对运动在交轨向自动扫描产生目标面横向距离有关的线性相位调制,同时在顺轨向产生目标顺轨向距离有关的二次项相位历程,采用补偿二次多普勒频移的傅里叶变换和补偿交叉耦合的共轭二次项匹配滤波算法实现图像重构。本系统主要特点是结构简单,无需使用任何光调制器,没有交轨向信号的初始相位同步问题,不存在目标时间延时影响,同时也保留了直视合成孔径激光成像雷达的固有优点,如有效地降低了大气等相位干扰,照明光斑可以很大,接收口径可以很大。本雷达适用于航空航天的各种相对运动速度和作用距离的对地观察成像和基于逆合成孔径原理的激光成像雷达。     

光刻机投影物镜的像差原位检测新技术

提出了一种新的光刻机投影物镜像差原位检测(AMF)技术。详细分析了该技术利用特殊测试标记检测投影物镜球差、像散、彗差的基本原理,论述了该技术利用对准位置坐标计算像差引起的成像位置偏移量的方法。实验结果表明AMF技术可实现球差、彗差、像散等像差参量的精确测量。AMF技术考虑了光刻胶等工艺因素对像差引起的成像位置偏移量的影响,有效避免了目前基于硅片曝光方式的彗差原位检测技术对离焦量、像面倾斜等像质参量限制的依赖。     

直视合成孔径激光成像雷达原理

提出了直视合成孔径激光成像雷达(SAIL)概念,发射采用两个正交偏振同轴且相对扫描的空间抛物波差的光束,接收采用自差及相位复数化探测。在交轨向产生与目标点横向位置正比的线性项相位调制,在顺轨向产生以目标点纵向位置为中心的二次项相位历程,成像处理采用傅里叶变换实现交轨向聚焦和采用匹配滤波实现顺轨向聚焦。直视SAIL与侧视SAIL一样能够使用小光学孔径在远距离实现高分辨率二维成像,但具有本质独特性即线性和二次相位项和光学足趾及其相关联的成像分辨率无论在设计和使用时都具有很大的控制调整范围,并克服了存在于侧视SAIL中的许多技术难点。直视SAIL在原理和方法上都属于光学领域。给出了直视SAIL的一般性体系结构,在数学上详细描述了包括目标信息获取和成像处理的基本原理。     

高数值孔径系统多重初级像差对高斯光束的影响（英文）

为了揭示高数值孔径光学系统在多重初级像差共同作用时受到的影响,基于衍射理论,研究了多重初级像差,特别是彗差、象散和球差对汇聚高斯光束的影响效果.通过数值模拟计算,获得了在彗差、象散和球差共同作用下,汇聚高斯光束在焦平面处光斑的光强分布,发现多重像差对聚焦光斑的影响并非各单像差影响效果的简单叠加.通过对高数值孔径光学系统激光焦斑的实际测量,发现其光强分布特点与数值模拟结果具有高度的一致性.研究结果对于评估与分析实际的光学系统具有一定的指导意义.     

合成孔径激光成像雷达(Ⅱ):空间相位偏置发射望远镜

报道一种可以进行空间相位偏置的光学望远镜,用作合成孔径激光成像雷达中的光学发射天线.在望远镜内放置相位调制平板,控制望远镜的离焦量和位相调制平板的相位函数,能够在激光望远镜的照明区产生可控制的附加空间相位二次项,灵活改变激光照明波前,以在目标回波接收信号中产生雷达运动方向上的所需的二次项相位历程,因此能够实现特定的方位向成像分辨率.     

直视合成孔径激光成像雷达模拟远场条件下的二维成像实验

报道了直视合成孔径激光成像雷达装置在使用焦距为10m的平行光管模拟远场条件下的阵列目标二维成像实验结果,实现的成像分辨率为1mm。     

合成孔径激光成像雷达(Ⅲ):双向环路发射接收望远镜

提出了一种用于合成孔径激光成像雷达的双向环路结构的发射接收望远镜,双向环路包括发射4-f转像系统、接收4-f转像系统和独立的望远镜.发射通道中设置离焦和相位调制平板偏置,接收通道中设置离焦和相位平板偏置.控制发射离焦量,发射相位调制甬数.接收离焦量.接收相位调制甬数.用同一个望远镜可以同时实现空间二次项相位附加偏置的激光发射和消除目标点散射回波接收波面像差的离焦光学接收,并产生雷达运动方向上合适的和可控制的相位二次项历程.从而实现孔径合成成像.详细介绍了系统设计,给出了从发射到光电外差接收的全过程传输方程.     

用于人眼视网膜成像照明的激光消散斑技术研究

以近红外激光(808 nm)作为人眼波前像差探测的信号光和视网膜成像的照明光,液晶空间光调制器(LCOS)作为波前校正器,用哈特曼波前探测器探测人眼像差,构建了人眼像差自适应校正的视网膜成像系统.利用模拟眼分析了激光散斑对相机成像的影响和对哈特曼波前探测器进行像差探测的影响,同时验证了利用旋转散射体的方法消除激光散斑的可行性和有效性;用活体人眼进行了激光消散斑前后照明视网膜进行成像的对比实验,并进一步利用自适应光学技术实现了对人眼像差的动态校正和视网膜细胞的连续成像.校正后,系统波前像差的均方根值小于0.1λ.实验表明激光消散斑后可以同时作为人眼像差探测的信号光和视网膜成像的照明光,从而可以进行连续自适应校正和成像.     

合成孔径激光雷达成像之匹配滤波器

基于光学衍射理论,探讨了采用准单色光照明的条带模式合成孔径激光雷达(SAL)的成像过程,给出了几种情况下,方位合成孔径成像匹配滤波器的解析表达形式及相应的成像分辨率。结果表明,条带模式SAL方位成像匹配滤波器的表达式除了与激光发射波长、成像距离和雷达坐标有关外,还与发射光束特性、接收光路结构参数等有关。因此,在实验室采用高斯光束作为探测光源进行SAL演示成像时,目标放在发射光束光腰处、瑞利范围之内、多倍瑞利范围之外等不同位置所需要的方位成像匹配滤波器有所不相同。为了获得高的合成孔径成像分辨率,目标应置于多倍瑞利范围之外。     

超分辨望远光学系统像差影响及优化设计

针对大口径光学系统中像差影响超分辨效果的问题,开展泽尼克波前像差对望远超分辨成像系统性能和超分辨局部视场影响的研究。设计四区型位相光瞳滤波器,在理想光学系统出瞳处分别加入离焦、像散、彗差和球差像差,逐渐增加幅值,通过分析不同类别和幅度的波前像差下焦面光强分布变化,研究超分辨成像性能和局部视场对不同种类像差的容忍程度。结果表明,离焦可以抑制超分辨旁瓣能量,提高超分辨倍率,但对局部视场影响较大;球差可以抑制超分辨旁瓣能量,增大局部视场;像散和彗差使光斑圆对称性明显下降,其中像散对局部视场的影响较为明显;同时加入适量离焦和球差时,超分辨旁瓣能量下降,超分辨倍率提高,且不影响系统局部视场。据此设计了一个F数为10,焦距为12 m的大口径光学系统,通过合理优化球差和离焦剩余量,实现了超分辨倍率由1.21倍到1.31倍的提升,最大旁瓣峰值由0.33下降到0.30,局部视场为38.28μm。     

光学镜头成像质量研究

调制传递函数(MTF)是评价光学系统质量的重要指标,利用MTF曲线以及点光源的弥散斑2种方法测量主要像差分别为彗差、球差的光学透镜成像质量,运用ImageJ和ZEMAX软件进行数据处理和理论模拟,将理论和实验相结合,直观展示彗差和球差相关性质.     

直视式合成孔径激光成像雷达电控抛物波面扫描器

研制了直视式合成孔径激光成像雷达(SAIL)电控抛物波面扫描器,该扫描器由线性相位调制的电光晶体和柱面镜构成,其中电光晶体采用4个三角形电极施加电场实现线性相位调制,具有体积小、响应速度快等优点。实验测试表明该直视式SAIL电控抛物波面扫描器获得了与理论吻合的抛物波面相位,扫描准确可控,很好地验证了该扫描器在直视式合成孔径激光成像雷达应用的有效性。     

开环双脉冲液晶自适应光学视网膜成像系统

为了获得高分辨率视网膜图像,利用液晶空间光调制器作为波前校正器建立了一套开环液晶自适应光学视网膜成像系统。与闭环模式相比,采用开环模式后,系统的能量利用率提高了1倍。系统采用双脉冲照明方式,以减少人眼曝光量,保护人眼安全。在照明光学系统中加入了大小视场切换装置使成像视场由之前的0.8°增至1.7°。同时优化了系统的时序控制流程,对人眼像差连续校正的同时快速调节成像相机的前后位置至最佳像面。对于开环模式对动态人眼像差的校正精度进行了测量,实验测得,经开环校正后,残差波面的均方根值约为0.09λ;相应的斯特雷尔(Strehl)比高于0.70,系统分辨率接近光学衍射极限的分辨率。对两名志愿者进行了实验,获得了清晰的眼底视网膜细胞图像。     

静态像差对交叉谱相位复原精度的影响及补偿方法

斑点图像重建方法可以有效抑制大气湍流的影响,得到目标衍射极限像。然而系统静态像差破坏了波前的统计信息,降低了相位重建精度。通过理论分析得出在理想情况下,离焦、像散、彗差和球差中只有彗差会在重建结果中引入额外相位值。进一步采用分割光瞳的方式表示交叉谱传递函数与静态像差的关系时,指出通过选择交叉谱的平移向量方向,可以实现在特定方向上静态像差之间的平衡,降低系统像差对相位重建的影响。仿真中球差与离焦像差之间的平衡及离焦像差与像散之间的平衡,都起到了降低相位重建误差的效果。     

二次曲面共形整流罩像差影响因素分析

传统整流罩为半球形或半球形的一部分,产生的空气阻力较大,不利于武器飞行速度的提高。基于空气动力学性能的考虑,采用共形整流罩的光学技术被提出。文章描述了二次曲面共形整流罩外表面、内表面的设计方法及面型表达式,通过在CODEV中建立共形整流罩的扫描成像模型,应用Zernike多项式分解法研究了不同长径比、边缘斜率、口径比和回转中心位置对离焦像差(Z4)、像散(Z5)、彗差(Z8)和球差(Z9)的影响规律。研究结果表明:二次曲面共形整流罩引入的离焦像差、像散、彗差和球差均随着长径比、边缘斜率和口径比的增加而增大,但对成像系统回转中心的位置不敏感。因此,在满足武器的空气动力学性能条件下应尽量减小长径比、边缘斜率和口径比,回转中心的位置主要根据结构需要进行设计。     

合成孔径激光成像雷达(Ⅰ):离焦和相位偏置望远镜接收天线

把合成孔径激光成像雷达的目标衍射区分为三个区域,提出采用离焦或者附加空间相位调制板的光学接收望远镜补偿回波像差.当目标处于菲涅耳衍射区时可采用离焦或偏置望远镜补偿回波二次项离焦像差并产生用于孔径合成的二次项相位历程;目标处于夫琅和费衍射区时可以采用离焦或偏置望远镜补偿回波二次项离焦像差但不产生相位历程;目标处于瑞利-索末菲衍射区域时不可能补偿回波高阶像差.     

合成孔径激光成像雷达的二维傅里叶变换成像算法

提出了合成孔径激光成像雷达(SAIL)的二维傅里叶变换成像算法,即对回波信号进行顺轨向相位二次项共轭补偿后直接实施二维傅里叶变换。归纳了啁啾光源侧视SAIL,平移二次项波面直视SAIL和偏转平面波面直视SAIL的数据收集方程,采用连续变量和函数说明了算法的成像过程,并分析了矩形和圆形天线孔径下的成像分辨率,最后给出了离散傅里叶变换的表达形式。算法中交轨向和顺轨向的时间域数据均直接变换到频率域成像,给出了圆形孔径天线SAIL的随交轨向变化的顺轨向成像分辨率的解析解。     

合成孔径激光成像雷达的光学成像处理

提出了一种合成孔径激光成像雷达(SAIL)光学成像处理器的原理方案,基于侧视/直视SAIL单点目标回波收集方程,对此光学处理器的数据加载时空坐标转换、成像分辨率、成像处理能力等方面进行了理论分析,并进行了实验验证,给出了SAIL大口径验证样机获得的目标回波数据的成像结果。此SAIL光学处理器结构简单、紧凑、功耗低,且具有实时、实地处理SAIL回波信号的能力,在未来机载、星载SAIL系统中有广泛的应用前景。     

像差对星间相干光通信接收系统误码性能的影响

以空间链路方程为基础,详细推导了具有不同像差时的星间相干光通信接收系统信噪比表达式。以通信距离为60000km、速率为2Gb/s的2PSK零差同步轨道接收系统为例,通过数值仿真,全面比较了接收天线的倾斜、离焦、彗差和像散等像差对接收系统误码率(εBER)的影响。结果表明,不同像差单独作用时,倾斜像差的影响最大,象散的影响最小;不同像差相互作用时,它们中的某些能部分实现相互校正,从而降低误码率。以εBER≤10-6为比较标准,当彗差W31/λ≤1.00时,调整倾斜像差能实现它们之间的部分校正;当像散W22/λ≤0.53时,调整离焦能对像散进行部分校正。因此,在设计接收系统时,接收天线的像差所产生的影响不容忽视。这将为设计星间相干通信接收系统提供必要的理论依据。