光电子学与激光技术

基于Matlab的变焦光学系统设计

高铎瑞，钟刘军，赵昭，等

摘要：目的：变焦光学系统的设计一般都要经过高斯光学计算来确定系统的初始参数以及系统焦距的分配原则，基本结构形式的选取是否合理决定了镜头设计的成功与否。在初始计算时需要根据经验对变倍补偿组进行光焦度分配，这大大增加了在变焦系统设计过程中对经验的依赖性。对于没有设计经验者，在没有现成的初始结构时，对光焦度的分配存在一定困难。方法：本文提出采用Matlab仿真分析来分配变焦系统各组元光焦度的方法。以组元之间的间隔为初始量，把变倍组的物距作为自由量，求出满足间隔要求的光焦度分配和组元运动形式。并通过Matlab仿真，模拟出变焦过程中各组元移动轨迹，分析各组元偏角、视场角等因素对系统复杂程度的影响，从而合理分配光焦度，合理取段，最后制定出一个相对较好的初始结构。对没有经验的设计者，是一种很好的方法。结果：设计了一个F数5，焦距范围20～280 mm的14倍正组补偿型变焦光学系统。通过Matlab仿真了各透镜组和光阑在变焦过程中的移动轨迹。当变倍组移动时，系统焦距改变，像面同时发生位移，补偿组透镜作非匀速运动来补偿像面位移。取平滑换根上半部分的m32和平滑换根下半部分的m31，以实现最快变焦。以系统焦距为自变量，各组元偏角为因变量通过Matlab仿真出变焦过程中各组元偏角的变化。光学系统中可以用偏角公式来定量地分析透镜矫正像差的难易程度，可以看出固定组、变焦组和补偿组光线的偏角随焦距的增加而增大。变倍组和补偿组偏角较大，尤其是在长焦的时，分别为0.587和0.422，说明本系统中变倍组具有最复杂的结构，补偿组具有较为复杂的结构。应使各透镜组在变焦过程中的偏角尽量减小，这样可以减小系统的复杂程度。可以改变初始参数，尽可能减小偏角，通过降低固定组的倍率可使各组元偏角下降，但系统的总长度会增加，所以要综合考虑。根据设计要求取光学系统的半像高为5 mm，通过Matlab仿真了随焦距变化各组元视场角的变化情况，可以看出从短焦到长焦各组元视场角逐渐变小。其中变倍组的视场较大，短焦时达到43.8°，说明本系统中变倍组有最复杂的结构，通过调整初始给定参数可以减小各组元视场，但减小各组元所承担视场的代价是使各组元的偏角增大，同样会增加结构的复杂程度，所以要找到视场与偏角之间一个相对适合的结果，尽量降低结构的复杂性。通过上述分析，可以更直观地观察系统在变焦过程中各组元的运动情况，所承担偏角和视场角的变化情况，在光学设计之前对总体性能有了概括性了解，如本系统中为了保证筒长尽可能短，导致变倍组在长焦时承担较大的偏角，短焦时视场角也比较大，所以在光学设计时应考虑使用特殊玻璃或者非球面来提高像质，由此对变倍组的公差要求也特别严格。通过前面分析，给出各组光焦度。利用Zemax光学设计软件进行像差校正，优化系统。并将前面分析计算出的焦距和优化后的焦距对比，结果发现通过 Matlab分析分配的光焦度与实际优化后的光焦度分配相差不大。结论：提出了用Matlab软件仿真分析变焦光学系统的设计方法，通过仿真出变焦过程中各组元移动轨迹和偏角、视场的变化，分析各组元偏角、视场角等因素对系统的复杂程度的影响，综合考虑后合理分配各组的光焦度，最后制定出初始结构。再利用Zemax进行像差校正以及系统优化。设计结果表明：该系统在380～760 nm波段实现了20～280 mm连续变焦，系统凸轮曲线平滑无拐点，并且从传递函数曲线可看出系统在各焦距位置均有良好的成像质量。

来源出版物：中国激光,2014,41(4)：0416002

入选年份：2017

双波长激光雷达探测典型雾霾气溶胶的光学和吸湿性质

伯广宇，刘东，吴德成，等

摘要：目的：随着我国工业化和城市化进程的加快，人为污染物的排放量增加，导致雾霾发生几率增大。气溶胶的光学和吸湿性质信息对研究雾霾形成的机制至关重要，因而必须加强雾霾过程中气溶胶的光学和吸湿性质的观测和观测方法研究。本文利用双波长激光雷达水平测量方法，分析雾霾过程中气溶胶消的光系数、波长指数和吸湿增长因子随地面相对湿度的变化。方法：观测地点位于合肥市区西郊，观测中使用了一台自研的532～1064 nm双波长米氏散射激光雷达。激光雷达水平探测时采用斜率法计算大气的水平消光系数，从激光雷达获得的1064 nm和532 nm气溶胶的消光系数，计算得到气溶胶的Angstrom波长指数。大气水平能见度可以用激光雷达测量532 nm波长的大气水平消光系数计算得到。同步获取的相对湿度和温度数据来自位于同一观测点的35 m铁塔上的气象温湿度传感器，风速数据来自铁塔上的超声风速仪结果：通过个例分析可以看出，雾霾发生过程中消光系数和相对湿度呈明显的正相关性，显示粒子有较强的吸湿增长能力，说明粒子中亲水性成分占主导地位。在霾—雾—霾转化过程中大气中的气溶胶粒子随相对湿度的增大或减小，不断地发生着潮解或风化过程，在潮解、风化过程中，单个粒子的粒径和折射指数等微物理参数随之变化，致使气溶胶粒子群宏观上的光学性质也在发生变化。从气溶胶光学和吸湿增长性质分析中可以看出，相对湿度从 32%增加至45%时，消光系数吸湿增长因子基本不变且约等于1。当相对湿度增加至72%时，532 nm波长吸湿增长因子增加至1.9。在对应的相对湿度上，1064 nm波长计算的吸湿增长因子略大于用532 nm波长计算的吸湿增长因子。波长指数随着相对湿度的增加从1.4减小到 1.1以下，波长指数的减小趋势同粒子的吸湿增长是对应的，显示气溶胶粒子吸湿增长最终导致其粒径呈增大的趋势。当相对湿度从72%增加至93%时，利用532 nm波长计算的吸湿增长因子从1增加至约2.3，呈现出明显的增加趋势。而波长指数从1减小至0.6左右，呈现出明显的减小趋势，当相对湿度为93%时，这时已经了形成粒径很大的雾粒子。利用1064 nm波长计算的吸湿增长因子，其变化趋势与532 nm波长基本一致，但在93%的相对湿度上吸湿增长因子达到2.5，高于利用532 nm波长计算的结果。在两个波长上，均显示归一化吸湿性增长因子（2013年1月）是归一化吸湿性增长因子（2012年1月）的两倍，说明粒子吸湿增长速度不是线性的，相对湿度越大粒子吸湿性增长越快。用1064 nm波长计算得到的归一化吸湿增长因子略高于用532 nm波长的计算结果，其原因应当是根据米氏散射理论的尺度参数，随着气溶胶粒径的吸湿增长，波长较长的1064 nm光对大粒子更敏感，粒子对1064 nm波长的消光效率增加速度要快于532 nm波长。在两次观测过程中，波长指数的大小和变化趋势在72%的相对湿度点上可以很好地衔接起来，显示的两次个例观测时间虽然是相隔一年开展的，但是粒子由于吸湿增长而引起的粒径变化应当有可比性。对比波长指数同吸湿增长因子之间的关系可以发现相对湿度越大粒子粒径的增长速度越快，与粒径大小密切相关的波长指数增大的速度越快，导致吸湿增长因子与波长指数的相关性越大。结论：两次个例观测结果表明：1）无风或微风的气象条件使得地面细颗粒物积聚，对雾霾的形成阶段起到重要作用；2）粒子因吸湿增长引起气溶胶粒子消光效率的进一步增强，加剧了能见度的降低，对雾霾的持续和恶化起到重要作用。利用水平探测的激光雷达结合地面相对湿度的观测研究方法，可以有效地获取雾霾气溶胶的消光系数、波长指数、能见度和吸湿增长因子随相对湿度的变化规律。该方法可以成为地面取样观测仪器的有效补充，从而丰富对雾霾光学和吸湿性质的观测手段。

来源出版物：中国激光,2014,41(1)：0113001

入选年份：2017

星载大相对孔径宽视场成像光谱仪光学系统设计

薛庆生

摘要：目的：现有航天遥感成像光谱仪光学系统的集光能力和视场不能满足航天海洋水色遥感等领域的需求，因此迫切需要解决现有航天遥感成像光谱仪光学系统相对孔径小、集光能力弱、视场覆盖范围小的问题。另外，航天遥感应用还要求成像光谱仪具有结构紧凑的特点，因此，星载大相对孔径宽视场成像光谱仪是未来航天成像光谱仪的主要发展方向。方法：成像光谱仪由望远镜和光谱仪组成。其中，望远成像系统要求具有大相对孔径（1.2︰1）和宽视场（3.9°），常用的R-C望远镜和三反（TMA）望远镜不能满足要求。离轴Schwarzschild望远镜可获得大视场和较大的相对孔径，但其体积较大，不适合应用在焦距几百毫米量级的空间光学系统。折叠Schmidt结构的望远成像系统具有较大的相对孔径和视场以及较小的体积。其光学结构由双胶合Schmidt校正板、平面折叠镜、球面主镜和双胶合场镜组成。通常，Schmidt系统的孔径光阑位于校正板上，为了获得更好的像方远心性能，将孔径光阑设在球面主镜上。为了便于与光谱成像系统实现光瞳匹配，将望远系统优化至准像方远心状态。光谱成像系统是一个大相对孔径、宽波段（350～1050 nm）的成像系统，在设计方案上优先考虑Dyson光谱成像系统，这种光谱仪利用Dyson透镜和凹面光栅的同心结构以实现大相对孔径和宽波段光谱成像。传统的Dyson光谱成像系统存在色差严重和探测器安装困难的缺点。为了解决Dyson光谱仪的这两个缺陷，将光谱仪中的Dyson单透镜改成消色差的双胶合透镜，实现宽谱段的色差校正。其次，将入射狭缝和焦面与Dyson透镜的平面分开一定的距离，便于入射狭缝和探测器的放置。此外，为了消除光谱成像系统中的球差，在光栅与Dyson透镜之间放置非球面校正透镜，校正透镜的前后表面分别为球面和二次曲面。最后将望远镜和光谱仪进行拼接，得到大相对孔径宽视场的航天成像光谱仪。结果：望远系统不同视场成像点的弥散斑尺寸均小于1个像元（10 μm×10 μm）。各视场的光学传递函数在奈科斯特频率50 lp/mm处大于0.8，具有良好的成像质量。改进型Dyson光谱成像系统不同波长和不同视场下的弥散斑均小于1个像元，中心波长和边缘波长94%以上的能量集中在一个探测器像元内。其工作波段内的色散宽度为 7.85 mm，光谱分辨率为2.68 nm。望远镜和光谱仪拼接后的整体光学系统的传函大于 0.77@50 lp/mm,具有优良的成像质量，可满足航天海洋遥感的需求。结论：针对目前航天遥感器相对孔径小、波段范围窄、空间覆盖不足的特点，设计了一种具有高集光能力、大覆盖范围与宽波段的航天成像光谱仪。该光谱仪由折叠 Schmidt结构的望远和改进型的Dyson光谱仪组成，具有较为紧凑的体积，并可以在宽波段内进行清晰的高光谱探测。该光谱仪的设计为未来的航天海洋遥感应用奠定了技术基础。

来源出版物：中国激光,2014,41(3)：0316003

入选年份：2017

飞秒激光微孔加工

夏博，姜澜，王素梅，等

摘要：目的：飞秒激光具有超快、超强的特性，在微孔加工中有着独特的优势，尤其是针对高品质、大深径比的微孔加工有着不可替代的作用。过去的十几年间，飞秒激光微孔加工一直是热点课题。在众多的加工方法中，沿激光传播方向直接钻孔的方式使用最广泛，也是最方便最直接的激光微孔加工方式，本文对超短脉冲激光微孔加工技术理论和实验方面的研究进展、应用、存在问题做一较为全面的回顾及对未来的展望。方法：系统地总结了超短脉冲激光微孔加工的优势以及研究意义，从加工机理、激光脉冲参数、加工方式、加工环境4个方面综述了近十几年来基于超短脉冲激光的微孔加工研究现状，并讨论了众多因素对超短脉冲激光微孔加工的影响。指出了现阶段超短脉冲激光微孔加工的应用前景，并总结了超短脉冲激光微孔加工当前所面临的挑战，以及今后的研究重点。结果：随着飞秒激光器技术以及飞秒激光制造工艺的不断成熟，飞秒激光微孔加工技术在工业领域逐渐取代部分传统加工技术，加工出高质量微孔结构。在许多微孔加工的应用中，制造的要求逐渐提高。飞秒激光在非金属材料上的强阈值效应和多光子吸收，使得飞秒激光能够突破衍射极限，加工出高深径比微纳米小孔。而且，飞秒激光的超快特性决定，其脉宽短于绝大多数物理特征时间，使之加工出的微孔具有极小化重铸层、极小化热影响区、无微裂纹、可重复性高等高品质特点，这也促使高深径比微孔加工成为可能。飞秒激光微孔制造是推动制造业发展和进步的关键技术之一，极端尺寸、极高质量也正是飞秒激光微孔制造发展的必然趋势。结论：飞秒激光能够在绝大多数材料基底上加工出高品质的微孔，尤其是直径较小的高深径比孔，充分展示出了飞秒激光在微孔制造方面的优势，是目前国内外极端制造领域的研究热点。随着飞秒激光微孔加工方面的研究日益深入，其应用也越来越广。然而，现阶段飞秒激光微孔制造仍然面临很大挑战，主要体现在理论研究和工程技术两个方面。理论研究方面，飞秒激光微孔加工是一个从飞秒到毫秒、从纳米到微米的跨尺度非线性过程，目前尚无模型能够完整描述整个过程。工程技术方面，飞秒激光超快、超强特性导致各因素之间难以耦合，很难形成一套成熟的飞秒激光微孔加工工艺优化准则，这已经成为制约激光微孔加工的瓶颈问题。近些年，在多尺度新模型的建立、电子状态调控等新方法的探索等方面，飞秒激光微孔加工将会出现重大突破。

来源出版物：中国激光,2013,40(2)：0201001

入选年份：2017