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宽波段成像光学系统设计

宽波段成像光学系统设计

作者：王振东西安工业大学

学位级别：硕士

可见光-近红外-短波红外系统主要利用物体的反射特性成像,其中可见光系统工作时需要充足的照明条件;夜间天空辐亮度的大气辉光现象所发出的光照度在短波红外区域迅速增加,直至1.5μm～1.7μm光谱范围内辐亮度达到峰值,它比满月光还要强... 详细信息

可见光-近红外-短波红外系统主要利用物体的反射特性成像,其中可见光系统工作时需要充足的照明条件;夜间天空辐亮度的大气辉光现象所发出的光照度在短波红外区域迅速增加,直至1.5μm～1.7μm光谱范围内辐亮度达到峰值,它比满月光还要强,这种光照几乎都处在短波红外波段。因此,将可见光与大气辉光的成像优势结合起来,能够实现对同一观测目标全天候、高分辨率成像,还可以提高目标探测与识别能力。传统的宽波段光学成像系统一般采用多组光路匹配不同波段焦平面探测器来实现对目标多光谱探测的功能,导致系统体积庞大、设备结构复杂,难以实现不同孔径探测时、空间上的一致性。随着非制冷型可见-近红外-短波红外宽光谱焦平面探测器技术的发展,对光学系统的设计提出了新要求,宽波段共光路共焦面的技术方案成为了研究的重点。目前传统的基于折射透镜的宽波段共光路共焦面的光学结构难以同时兼顾消除波段间色差和保持系统结构小型化、轻量化的设计目标。因此,研究并设计一种满足上述设计需求的新的宽波段成像系统具有重要的研究意义和应用价值。本论文主要的研究内容如下:针对折射式宽波段光学系统色差校正困难的问题,提出了基于折衍混合式消色差的方法。分别研究了单层衍射、谐衍射、双层衍射三种不同类型衍射光学元件在0.4～2.5μm波段的衍射效率变化关系。针对光线以一定入射角进入基底材料时,带宽积分平均衍射效率降低的问题,提出入射角-基底材料组合的选择方法。建立入射角-带宽积分平均衍射效率计算的数学模型,在入射角度(0～5°)范围内,分别研究Ba F-ALO、Ca F-ALO、Mg F-ALO三种基底材料的衍射效率随温度和波长的变化关系。针对环境温度变化时,基底材料的表面微结构的高度以及折射率的改变,对系统衍射效率的影响,提出温度-基底材料组合的选择方法。分析了环境温度的改变,对衍射微结构高度的影响,建立了温度-带宽积分平均衍射效率的数学模型。在设计温度为20℃的条件下,研究了Ba F-ALO基底材料组合在(-40℃～60℃)环境温度范围内,衍射效率随温度和波长的变化关系。针对设计波长的选择对系统衍射效率的影响,提出了设计波长的优化选择方法。推导衍射表面微结构高度关于设计波长的计算公式,建立带宽积分平均衍射效率关于设计波长的数学模型,研究了其随波长变化关系。本文宽波段光学系统的设计采用两种方案:方案一完成了基于传统折射式光学成像系统的设计;方案二引入双层衍射光学元件完成了基于折衍混合式光学成像系统的设计。两者均在宽波段范围内校正了色差,采用光学被动无热化技术完成了系统热差的处理,成像质量满足设计要求。结果表明:相比传统折射式光学系统,折衍混合式系统做到了更少镜片数目、压缩了系统总长,减轻系统重量,实现了小型化、轻量化的设计目标。

关键词：光学设计宽波段衍射元件双层衍射衍射效率带宽积分平均衍射效率

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300～1100nm宽波段光学系统设计

光子学报 2010年第10期39卷 1766-1769页

作者：刘娟娟郭帮辉吴宏圣刘英王健孙强中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 中国科学院研究生院北京100049

为了在工业检测中实现可见光探测向近紫外和近红外波段的拓展,在消色差和消热差的要求下,完成了300～1100nm宽波段光学系统设计,并进行了工业检测样机研制.为了获得足够的后工作距,系统采取反远距的结构型式,并在后工作距内放置镀膜棱... 详细信息

为了在工业检测中实现可见光探测向近紫外和近红外波段的拓展,在消色差和消热差的要求下,完成了300～1100nm宽波段光学系统设计,并进行了工业检测样机研制.为了获得足够的后工作距,系统采取反远距的结构型式,并在后工作距内放置镀膜棱镜进行三路分光,分别实现近紫外、可见光和近红外成像.通过合理选择透镜材料来达到消色差要求,采用移动透镜来完成消热差设计.系统视场为±3.5°,焦距为66.5mm,F/#为3.3,后工作距为63mm,总长132mm.结果表明:系统在50lp/mm处的MTF均大于0.3,在-10～+50℃温度范围内保持良好成像,成像质量满足实用要求.所研制样机在实验中获得满意结果.系统通过宽波段探测增大了目标信息获取量,在工业检测和农业检测领域具有巨大优势.

关键词：宽波段消热差反远距光学设计

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宽波段、高分辨率折反式航摄物镜设计

应用光学 2012年第6期33卷 1035-1039页

作者：张欣婷刘如广安志勇长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学光电信息学院吉林长春130012

为满足在10 000m左右高空摄影时地面分辨率达到0.2m的需要,采用长焦距和折反射式光路形式设计一种高分辨率CCD航摄物镜。使用普通玻璃校正由大口径和长焦距带来的二级光谱,且在单个像元尺寸为8μm的36mm×48mm大面阵、高分辨率CCD作为... 详细信息

为满足在10 000m左右高空摄影时地面分辨率达到0.2m的需要,采用长焦距和折反射式光路形式设计一种高分辨率CCD航摄物镜。使用普通玻璃校正由大口径和长焦距带来的二级光谱,且在单个像元尺寸为8μm的36mm×48mm大面阵、高分辨率CCD作为接收器的条件下,光学系统在60lp/mm处各视场的传递函数均接近衍射极限,满足成像质量要求,最终实现了在470nm～950nm宽波段工作范围内能够进行全天侯观察与测量。

关键词：光学设计高分辨率折反射式宽波段二级光谱

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高分辨率紫外/可见宽波段显微物镜设计

应用光学 2013年第4期34卷 575-578页

作者：刘仲禹张欣婷吴倩倩长春理工大学光电信息学院吉林长春130012 长春理工大学光电工程学院吉林长春130022

设计一种用于目标探测的高分辨率紫外/可见宽波段显微物镜。该系统数值孔径NA=0.4、放大率β=10×、像高2y′=4.7mm,在248nm～656nm的宽波段范围内成像,采用熔石英和萤石两种光学材料对宽波段所引起的色差进行校正。通过对系统的结构优... 详细信息

设计一种用于目标探测的高分辨率紫外/可见宽波段显微物镜。该系统数值孔径NA=0.4、放大率β=10×、像高2y′=4.7mm,在248nm～656nm的宽波段范围内成像,采用熔石英和萤石两种光学材料对宽波段所引起的色差进行校正。通过对系统的结构优化设计及像差平衡,使传递函数曲线的截止频率高达3 600lp/mm,且接近衍射极限;分辨率σ波段的探测任务。

关键词：光学设计高分辨率宽波段消色差

40^(×)大变倍比宽波段连续变焦光学系统设计

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应用光学 2023年第2期44卷 246-252页

作者：王美钦潘海俊刘斌武汉联一合立技术有限公司湖北武汉430000 中国人民解放军32150部队河南开封475003

为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪,光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦,并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等,并在确定了相关技术参数的基础上,... 详细信息

为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪,光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦,并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等,并在确定了相关技术参数的基础上,设计了一种变倍比为40^(×)的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜,易于加工,成像质量较好,各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2,并且凸轮曲线平滑,无拐点,杂散光控制较好,对系统影响很小。最后通过外景试验测试,该系统光轴一致性小于0.1 mrad,系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求,为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。

关键词：大变倍比宽波段连续变焦光学系统凸轮曲线光轴一致性

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宽波段消色差衍射透镜的设计与分析

宽波段消色差衍射透镜的设计与分析

作者：巩畅畅中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

学位级别：硕士

衍射透镜具有体积小、重量轻、公差宽松等优势,有望替代传统折射式透镜应用于大口径轻量化空间望远光学系统中。但是,由于衍射自身机理导致的衍射透镜具有强烈负色散的问题,难以满足成像环境复杂程度与探测元件分辨能力的提升带来的宽... 详细信息

衍射透镜具有体积小、重量轻、公差宽松等优势,有望替代传统折射式透镜应用于大口径轻量化空间望远光学系统中。但是,由于衍射自身机理导致的衍射透镜具有强烈负色散的问题,难以满足成像环境复杂程度与探测元件分辨能力的提升带来的宽波段成像需求,所以目前多用于单色成像系统或者采用Schupmann消色差结构进行消色差。Schupmann结构是借助另一片与主镜光焦度相反的衍射透镜消除色差,但是该结构在消除色差的同时引入了其它像差,并且系统的带宽和视场均有所限制。因此,目前衍射透镜在大口径、宽波段成像系统中的色差校正更多依赖于后续透镜或者光路的校正,要进一步提升系统实用性,需要从衍射透镜自身着手,消除色散。本文针对传统衍射透镜工作在宽波段时色散严重、像质不佳的问题,提出一种基于RGB三波段的单片式分区消色差衍射透镜的设计方法。采用标量衍射理论对等宽度和等面积两种分区方式进行仿真,并与传统衍射透镜进行对比与分析,然后结合现有实验条件,制备出两台阶的传统衍射透镜和两种不同分区方式的消色差衍射透镜。通过对三种透镜各项成像性能的检测与对比,证明该设计能够在一定程度上实现色差校正,具备在宽波段成像系统中应用的潜力。本文的主要研究内容包括:（1）根据衍射透镜自身的色散特性和当前在宽波段成像应用中的需求,提出等宽度分区和等面积分区两种不同分区方式的单片式分区消色差衍射透镜设计方法,对其进行建模与仿真,并与传统衍射透镜在点扩散函数、衍射效率等方面进行对比与分析。（2）根据本文所提出的设计方法,结合目标参数和现有实验条件,设计出三种透镜对应的掩模图形,并通过激光直写设备进行掩模版制备;采用对准套刻和反应离子刻蚀的方法在同一个基片上成功制备出三种透镜结构。（3）搭建衍射效率测试光路和成像测试光路,分别对三种透镜结构进行衍射效率测试、星点板测试、分辨率板测试以及色彩保真度成像测试。对比两种消色差衍射透镜相对于传统衍射透镜的成像效果,证明分区消色差衍射透镜能够实现色差校正,具备宽波段成像的能力;然后对比分析等宽度分区和等面积分区方式下成像效果的差异,总结出分区消色差衍射透镜色差校正效果与各波段对应微结构面积之间的关系,为后续消色差衍射透镜的设计和发展奠定良好的基础。

关键词：衍射透镜消色差分区宽波段色彩保真度

宽波段复合消像散型Czerny-Turner结构光谱仪光学系统研究

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宽波段复合消像散型Czerny-Turner结构光谱仪光学系统研究

作者：李欣航长春理工大学

学位级别：硕士

光谱仪器作为重要的分析工具,能够有效的识别物质的特征光谱,通过分析光谱信息实现对物质的检测与分析,同时,具有快速、简便、可靠、无污染和无损伤检测的优点,被广泛应用于各个领域。近年来,光谱仪越来越受到市场欢迎,并呈现出不断发... 详细信息

光谱仪器作为重要的分析工具,能够有效的识别物质的特征光谱,通过分析光谱信息实现对物质的检测与分析,同时,具有快速、简便、可靠、无污染和无损伤检测的优点,被广泛应用于各个领域。近年来,光谱仪越来越受到市场欢迎,并呈现出不断发展的趋势,因此,不断致力于光谱仪的完善与发展是十分必要的。本课题在介绍相关理论基础下,针对宽波段Czerny-Turner结构像散校正能力有限的问题,分析了影响像散校正的因素,包括光谱宽度、角度差值(准直镜离轴角与聚焦镜离轴角的差值)和柱镜摆放位置。重点讨论了角度差值对像散校正情况的影响,并研究了其变化规律,通过理论仿真和设计优化等方法验证了其正确性,给出相应合理的结构参数,是设计消像散型Czerny-Turner结构的一种必要分析过程。结合宽波段光谱仪校正像散能力有限的问题,本文提出了一种复合方法校正Czerny-Turner结构像散,即在一阶消像散方法校正宽波段像散的能力达到极限时,加入柱镜,利用柱镜的相反像散变化趋势,进一步校正光学系统的剩余像散,并且推导出复合方法的边缘波段像散补偿公式。理论模拟了一阶消像散条件下的剩余像散、柱镜补偿像散和复合方法校正像散随波长的变化情况,指导后续的光学系统设计。应用复合方法,本课题完成了近红外900～1700nm的消像散Czerny-Turner结构设计,Zemax的仿真结果表明,全波段全视场RMS值均小于14μm,调制传递函数(MTF)达到0.7以上,全波段的光谱分辨率为1.5nm。保证了在高光谱分辨率的情况下,实现了近红外800nm宽波段像散的同时校正。对于Czerny-Turner结构复合方法像散的研究,能够有效解决宽波段像散不能同时校正的问题,该设计方法同样适用其他波段的设计,对宽波段消像散型光学系统的设计具有指导意义。

关键词： Czerny-Turner结构宽波段像散校正柱镜光学设计

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宽波段烟幕干扰战斗部装药结构研究

宽波段烟幕干扰战斗部装药结构研究

作者：常怀东南京理工大学

学位级别：硕士

光电侦察和制导技术越来越多的应用到现代战场上,烟幕作为一种可以进行不同波段干扰的技术手段受到了国内外的广泛关注。本文结合类似某型号产品研制,针对中小口径宽波段遮蔽弹药战斗部的装药结构开展研究工作。在烟幕干扰材料的选择、... 详细信息

光电侦察和制导技术越来越多的应用到现代战场上,烟幕作为一种可以进行不同波段干扰的技术手段受到了国内外的广泛关注。本文结合类似某型号产品研制,针对中小口径宽波段遮蔽弹药战斗部的装药结构开展研究工作。在烟幕干扰材料的选择、装填工艺研究的基础上,对宽波段烟幕干扰战斗部的装药工艺、装药结构等方面进行了深入研究,通过优化结构设计、分析计算、正交试验验证等工作,解决了该类弹药同时实现对可见光、红外、激光、毫米波等多波段干扰效果,通过静动态性能测试、数据分析结果表明,该种装药结构战斗部作用后,烟幕遮蔽时间、遮蔽面积、遮蔽率等主要干扰性能明显提高,使弹药的综合作战效能得以改善,其相关技术对类似弹药的研制具有较高的参考价值。

关键词：宽波段烟幕干扰战斗部装药结构

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宽波段吸收功能聚炔的制备及性能研究

宽波段吸收功能聚炔的制备及性能研究

作者：程丽云东华大学

学位级别：硕士

聚乙炔是众所周知的长链共轭聚合物,具有超快的响应和导电性能,其侧链上引入合适的功能取代基时,聚炔分子会呈现出新奇的光学、电学、生物性能,从而引起了人们广泛的研究兴趣。方酸菁染料由于在近红外波段具有很强的吸收性能,使其在有... 详细信息

聚乙炔是众所周知的长链共轭聚合物,具有超快的响应和导电性能,其侧链上引入合适的功能取代基时,聚炔分子会呈现出新奇的光学、电学、生物性能,从而引起了人们广泛的研究兴趣。方酸菁染料由于在近红外波段具有很强的吸收性能,使其在有机太阳能电池生物探针、非线性光学、金属离子传感等领域有着广泛应用。为了制备具有具有快速响应的宽波段吸收材料,本文设计制备了方酸菁基功能聚炔高分子,并对其结构与性能进行研究,主要内容如下：1.系统地综述功能聚炔的主要合成方法及其应用研究的最新进展。2.设计合成三种分别含有喹啉、偶氮基团、二苯乙烯的末端炔单体分子,6-乙炔基-2-甲基喹啉(EMQ)、4-丙炔氧基-4'-硝基偶氮苯(NPA)、4-乙炔-4’-丁氧基-二苯乙烯(BES),采用红外、核磁、紫外和元素分析等现代光谱技术,详细表征其分子结构,并优化了合成工艺条件;采用金属催化和溶液聚合方法,分别制备了均聚物：聚(6-乙炔基-2-甲基喹啉)[poly(EMQ)]、聚(1-(4-硝基苯)-2-(4-(丙炔氧基)苯基)偶氮)[poly(NPA)]、聚(1-丁氧基-4-(4-乙炔苯基)苯)[poly(BES)]。用元素分析(EA),傅里叶红外光谱(FT-IR)和核磁共振(1H-NMR)对它们进行了结构表征,通过示差扫描量热法(DSC),热重分析法(TGA),紫外-可见光谱(UV-vis)等对这三种小分子和三种均聚物的性能进行研究,发现均聚物相对小分子紫外吸收峰变宽,同时热性能也得到提高,并分析了其机理。3.通过不同配料比,将含二苯乙烯基团单体与含偶氮基团单体分别与含喹啉基团单体共聚,通过金属催化和配比优化,探讨了可溶性高分子的控制制备条件,并有效实现了材料吸收波段的调控;得到了一定配料比下的可溶性共聚物聚(6-乙炔基-2-甲基喹啉-co-4-丙炔氧基-4’-硝基偶氮苯)[poly(EMQ-co-NPA)]、聚(6-乙炔基-2-甲基喹啉-co-4-乙炔-4’-丁氧基-二苯乙烯)[poly(EMQ-co-BES)]。用红外和核磁对它们进行了结构表征,通过DSC, TGA, UV-vis对共聚物性能进行了研究。研究表明,共聚物poly(EMQ0.8-co-NPA0.2),poly(EMQ0.6-co-BES0.4)在常用溶剂中具有较好的溶解性,为下一步的大分子功能化反应,奠定了基础。4.对共聚高分子poly(EMQ0.8-co-NPA0.2), poly(EMQ0.6-co-BES0.4)进行方酸功能化改性,通过紫外跟踪动态光谱技术,有效实现了紫外-可见-近红外宽波段吸收聚合物的控制制备。采用红外光谱,核磁共振对高分子的结构和性能进行表征,并探讨了其宽波段形成的机理。

关键词：宽波段聚炔方酸菁