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2010年  3卷  第6期

综述
现代航天光学成像遥感器的应用与发展
胡君, 王栋, 孙天宇
2010, 3(6): 519-533.
摘要:
概述了当前航天光学成像遥感器在对地、对天观测的多个领域的应用现状,给出了国外著名高分辨率商业卫星的性能指标,归纳了在轨和即将发射的太空望远镜的工作参数,展望了以更高的地面分辨率、更宽的地面覆盖和更高成像质量为目标的高性能光学遥感器的发展方向。依托大型光学成像平台的模块化技术和天地一体化设计为代表的综合性光学遥感器,阐述了实现自动识别和在轨参数自动调整的智能型光学成像遥感器的可行性、环境条件和技术要求。总结了目前在航天光学成像遥感器设计中大口径、主动光学波前探测和在轨智能处理等方面的关键技术和实现难题,提出了可实现的研究思路和未来的发展前景。
遥感CCD相机的抗辐射策略研究
郭永飞
2010, 3(6): 534-545.
摘要:
空间辐射环境是遥感相机失效的主要原因之一。为了提高CCD遥感相机的可靠性,本文研究了改善遥感电子器件抗辐射性能的方法。介绍了空间辐射环境,指出太阳活动、宇宙射线、范艾伦辐射带以及次级辐射是产生辐射危害的主要来源。分别从辐射总剂量、单粒子和位移效应分析了空间辐射对不同电子器件和集成电路造成的危害。针对遥感CCD相机,从CCD器件、集成电路和大规模可编程门阵列(FPGA)3方面提出了相应的抗辐射策略,并进行了抗辐射总剂量和抗单粒子的抗辐射验证试验。本文的研究为提高遥感CCD相机的抗辐射能力和可靠性提供了保障。
临近空间平台光电探测系统在空间态势感知中的应用
徐蓉, 门涛, 张荣之
2010, 3(6): 546-553.
摘要:
介绍了空间态势感知的概念,以及地基、天基光电探测系统和临近空间平台的特点及研究现状,对不同平台光电探测系统的性能与特点进行了分析。分析表明,地基光电探测系统的观测质量受地球大气湍流和大气吸收的影响,有其极限探测能力,且大部分大气扰动发生在大气最底层的对流层;天基光电探测系统虽然可不受大气湍流的扰动,但光电探测平台的探测时间只有地基望远镜的1/3,且耗资巨大;临近空间平流层平台(飞艇)光电探测系统不受对流层大气扰动的影响,其分辨力可显著提高,并且具有灵活布站等优势。基于临近平台光电探测系统的优势,综述了发展临近平台空间光电探测系统的可行性,归纳总结了将其应用于空间态势感知的技术要求,涉及材料、控制、能源和高能物理等。
极紫外多层膜技术研究进展
张立超
2010, 3(6): 554-565.
摘要:
在极紫外波段,任何材料都表现出极强的吸收特性,因此,采用多层膜实现高反射率是构建正入射式光学系统的唯一途径。本文总结了极紫外多层膜的发展进程,叙述了制备极紫外多层膜的关键技术(磁控溅射、电子束蒸发、离子束溅射)以及它们涉及的相关设备。由于多层膜反射式光学元件主要应用于极紫外光刻与极紫外天文观测,文中重点讨论了极紫外光刻系统对多层膜性能的要求,镀膜过程中的面形精度和热稳定性等问题;同时介绍了极紫外天文观测中使用的多层膜的特点,特别讨论了多层膜光栅的制备技术和亟待解决的问题。
物理光学
真空紫外波段光栅二级衍射效率测量装置
曲艺
2010, 3(6): 566-571.
摘要:
利用光栅二级衍射会影响反射样品光谱反射率结果的原理,通过计算不同光谱反射率获得了光栅二级衍射效率。介绍了测量二级衍射效率的实验装置,该装置采用双光路单色仪结构,使用已知光谱辐亮度氘灯作为光源,探测器为光电倍增管,通过水杨酸钠膜将紫外光转为可见光。以波长161 nm为例,测量了5块反射镜样片,计算得到光栅二级衍射效率为0.006 11(10.077 7)。分析表明,该方法采用的测试装置简单,系统不确定度为14.08%,可以实现真空紫外波段光栅二级光谱衍射效率的连续测量。
空间光学
空间超光谱成像仪前置光学系统的热光学特性
张益茬, 刘伟, 胡春晖
2010, 3(6): 572-579.
摘要:
分析了空间超光谱成像仪前置光学系统的热光学特性。应用有限元方法建立了模拟前置光学系统的热弹性变形模型,并进行了热弹性分析计算;用Zernike多项式拟合分析结果,求得各镜子反射面在热变形后的面型误差和相对于初始理想位置的偏移;利用光学分析设计软件Code V计算得到光学系统的像面与焦面的偏离量,即离焦量,并用多项式拟合得到其随温度变化的规律。计算结果表明,前置光学系统的像面在温度改变时会偏离焦面,离焦量与温度近似地成线性关系,当温度升高时像面最大偏移量为107.4 m,温度降低时像面最大偏移量为106.9 m。该分析结果可作为指导超光谱成像仪改进热控措施,进行调焦补偿的理论参考。
温差条件下组合色散棱镜支撑结构的实验分析
赵博, 颜昌翔, 汪逸群, 王永猛
2010, 3(6): 580-585.
摘要:
介绍了超光谱成像仪采用的组合色散棱镜的支撑结构形式,讨论了温度变化对成像的影响。根据使用需求选择了支撑座的材料,模拟了5~10 ℃温差条件下棱镜组件的变形情况。利用有限元法解决材料线膨胀系数不同所引起的棱镜反射面变形,并分析了采用聚四氟乙烯垫片做温度补偿后垫片的厚度及接触面积对石英棱镜面型的影响。实验结果表明,在支撑座和棱镜之间增加聚四氟乙烯垫片后,石英棱镜的面型达到了/6的指标要求。本文提出的优化方法为组合色散棱镜支撑结构的设计提供了参考依据。
光学仪器
基于数据配准提高光电经纬仪的测量精度
王宗友, 付承毓, 王芳
2010, 3(6): 586-590.
摘要:
研究了目标相对于视场中存在相对运动时,光电经纬仪测量精度下降,且下降程度与目标相对运动速度的大小相关的现象。基于电视曝光原理分析了这种现象产生的原因,讨论了提高光电经纬仪事后处理精度的新方法。提出了基于目标脱靶量与编码器位置信息的数据配准方法,并对该算法实际操作的可行性进行了分析。实验结果表明,此算法可以使光电经纬仪测量精度改善20%~30%,即CCD像素分辨率从1/2提高到了1/3。
微型X射线数字成像系统的测试与应用
蔺超, 郑玉权
2010, 3(6): 591-597.
摘要:
研制了一套采用X射线敏感CCD作为成像探测器的微型数字成像系统并用于牙科诊断。应用牙齿模型与分辨率测试卡对系统的辐射剂量和分辨率进行了测试,采用分段线性校正对CCD与转换屏耦合下的响应不均匀性进行校正,并通过计算线性相关系数辨别瑕疵像元以避免误判。测试了系统在高分辨率、小工作幅面X射线检测方面的应用效果。结果显示,系统分辨率高于10 lp/mm,在获得相近对比度图像的条件下,所需的辐射剂量仅为胶片的10%,图像非均匀性相对校正前可降低27.5%。得到的结果表明,系统满足高分辨率、低辐射剂量的使用要求,在微小物体X射线检测方面具有较大的应用潜力。
极紫外光刻系统物镜光学元件的支撑与分析
王辉
2010, 3(6): 598-604.
摘要:
介绍了极紫外光刻系统物镜光学元件的支撑原理和支撑要求,分析了符合运动学支撑要求的物镜支撑结构和面形检测用支撑结构;针对支撑结构性能和支撑方案中关键问题进行了深入研究,并提出了相应的解决方案。最后建立了支撑结构的有限元模型,并在此基础上进行了重力场中的镜体变形分析和温度场作用下系统的热变形分析。分析结果表明,检测用支撑与实际用支撑两种结构在重力环境下支撑出的元件面形基本相同,面形相差0.002 6 nm(RMS);温控范围为0.05 ℃时,由机械结构热变形引起的镜体面形变化在0.001 nm(RMS)量级。研究结果表明,运动学物镜元件支撑结构能够满足极紫外光刻系统对于物镜机械支撑结构的要求。
信息光学
用于相移点衍射干涉仪的加权最小二乘相位提取算法
于杰
2010, 3(6): 605-615.
摘要:
针对现有的相位提取算法只对某些特定的误差不敏感,不能满足高精度光学检测的要求,本文引入一种等间隔多步移相算法权重待定的加权最小二乘算法。通过在最小二乘算法中添加待定的权重,分析移相点衍射干涉仪中多种误差源对算法的影响,获得多组约束方程,从而确定权重和新算法。对新算法和标准四步算法、Hariharan五步算法进行比对分析,验证了新算法对PZT线性和二阶非线性移相不准、光强的一阶二阶波动和光源频率一阶二阶波动等误差抑制能力远远优于标准四步算法和Hariharan五步算法;新算法对CCD的量化误差、光强噪声、频率噪声的抑制能力也具有一定优势,且对CCD的二阶响应非线性完全不敏感。
基于光学设计软件的相移点衍射干涉仪建模
张海涛
2010, 3(6): 616-622.
摘要:
为了模拟用于球面面形高精度检测的相移点衍射干涉仪的测试过程,介绍了点衍射干涉仪的基本工作原理,分析了相移点衍射干涉仪的测量误差。利用光学设计软件和自行编制的软件建立了点衍射干涉仪的检测模型,利用该模型分别推导了参考光束和测试光束在干涉场的复振幅分布,模拟了测量过程。根据光的相干理论,通过改变被测镜的位置,实现移相,得到移相干涉图。最后对一设定的被检镜进行实验模拟,生成了两组对称倾斜的13步移相干涉图,对干涉图处理后计算得到了被检镜的检测面形。结果表明,在不引入硬件误差时,由相位提取和波面反演造成的检测面形与设定面形偏差为RMS值0.0783 nm,PV值0.5656 nm。
光学薄膜
Mo/Si多层膜小角X射线衍射结构表征
喻波
2010, 3(6): 623-629.
摘要:
为了实现对Mo/Si多层膜的结构表征,测量了多层膜样品的小角X射线衍射谱。介绍了小角X射线衍射谱的分析方法,包括Bragg峰值拟合法,傅里叶变换法,反射谱拟合法。Bragg峰值拟合法和反射谱拟合法得到多层膜的周期厚度为7.09 nm,两种模型的反射谱拟合法得到界面的粗糙度(扩散长度)为0.40~0.41 nm(Si在Mo上),0.52~0.70 nm(Mo在Si上),前者要比后者小,这与透射电镜法(TEM)得到的结果0.40 nm(Si在Mo上),0.6~0.65 nm(Mo在Si上)是一致的。通过基于扩散模型的反射谱拟合法得到的折射率剖面也与由高倍率透射电镜(HRTEM)积分得到的灰度值剖面在趋势上是一致的。通过X射线衍射谱和TEM图像对Mo/Si多层膜进行综合表征,得到了多层膜的精细结构信息,这对多层膜制备工艺的优化具有十分重要的意义。
电子束蒸发和离子束溅射HfO2紫外光学薄膜
邓文渊, 李春, 金春水
2010, 3(6): 630-636.
摘要:
HfO2薄膜在紫外光学中具有十分重要的地位,不同方法制备的HfO2薄膜特性不同,可以满足不同的实际应用需求。本文分别利用电子束蒸发和离子束溅射方法制备了用于紫外光区域的HfO2薄膜,并对薄膜的材料和光学特性进行了表征与比较。通过对单层HfO2薄膜的实测透射和反射光谱进行数值反演,得到了HfO2薄膜在230~800 nm波段的折射率和消光系数色散曲线,结果表明两种方法制备的HfO2薄膜在250 nm的消光系数均小于210-3。在此基础上,制备了两种典型的紫外光学薄膜元件(紫外低通滤波器和240 nm高反射镜),其光谱性能测试结果表明,两种不同方法制备的器件均具有较好的光学特性。
激光技术
高功率980 nm垂直腔面发射激光器的亮度特性
丛海兵, 宁永强, 张星, 王贞福, 王立军
2010, 3(6): 637-642.
摘要:
在循环水冷却(工作环境温度控制在15 ℃)和连续注入电流条件下,从垂直腔面发射激光器(VCSEL)亮度基本定义出发,实验测量了不同注入电流时口径为400 m的高功率980 nm InGaAs/GaAs应变量子阱垂直腔面发射激光器(VCSEL)的亮度特性。结果表明:在注入电流<4 A时,随着注入电流的增加,亮度也跟着增加;当注入电流>4 A时,尽管输出功率在增加,但是器件的光束质量变差,M2因子升高,表明此时影响器件亮度的主导因素是M2因子,所以亮度减小;在注入电流为4 A,输出功率为1.2 W时,亮度达到最大值2.43 kW/cm2sr,此时的光束质量最好,M2因子为207。最后,分析了影响高功率VCSEL器件亮度特性的主要因素,提出了提高器件亮度特性的解决方法。
光电探测技术
"光电测控"专题文章导读
乔彦峰
2010, 3(6): 643-643.
摘要(1739) PDF 24KB(1362)
摘要:
我国从50 年代筹建第一个靶场武器试验场区以来,至今已有50 多年的历史,先后建立过多个试验基地及试验测量场区。光学测量设备也随着靶场的发展经历了一个从无到有,从小到大,从援建到自建的全过程。随着计算机技术、通信技术和电子技术的飞速发展,各种先进的测控技术、测控设备层出不穷,先进的光电测控技术已经在现代科学技术、工业生产和国防等诸多领域中广泛应用。
1 m口径主反射镜支撑系统的优化设计
孙宁
2010, 3(6): 644-648.
摘要:
应用有限元法并借助有限元分析软件建立了主镜的三维实体有限元模型,对1 m主镜的支撑系统进行了优化设计。分析比较了两种常用主镜侧支撑结构,优化确定了轴向支撑半径、侧支撑方式和侧支撑点位置。分析计算显示主镜处于不同俯仰角位置时的最大面形精度RMS值为5.3 nm,满足设计指标要求,该有限元优化设计方法和过程不受主镜直径及厚度的影响,适用于平面、球面、非球面甚至异形面主镜的设计。结果表明了所设计的支撑系统方案的合理性与可行性。
连续变焦镜头焦距输出结构的设计
贾庆莲, 王春霞
2010, 3(6): 649-652.
摘要:
根据光学设计中变倍组与补偿组的移动量与系统焦距的关系,设计了一种在变焦距镜头连续变焦时能准确输出焦距值的结构。该结构由蜗轮蜗杆驱动,以直线位移传感器为反馈元件,采用一个连接杆将直线位移传感器与变焦镜组进行固定连接来保证镜组的移动量直接反馈为位移传感器的电压值。与传统的通过齿轮传动将焦距变化反馈到旋转电位器的结构相比,该结构消除了由齿轮传动的空回、凸轮带动钉的间隙以及电位器的误差值等带来的影响。精度分析表明,采用这种高精度的直线位移传感器,加在其上的电压的变化可直接换算成焦距的变化,因此提高了焦距输出的精度。
船载光电经纬仪坞外星体标校
马庆坤, 乔彦峰
2010, 3(6): 653-658.
摘要:
为了适应海上应用并降低经纬仪坞内标校成本,采用恒星位置代替固定方位标,将原本在坞内的标校工作转移到海上。首先,根据恒星星表精确、实时地计算出恒星位置。然后,通过坐标转换算法将其位置值转化到测量系下,运用船摇自稳定算法保证经纬仪的正常跟踪并记录数据。最后,根据事后解算算法分析记录数据,分离设备单项差并计算系统误差。实验结果表明,海上星校单项差的标定与坞内通过方位标标定结果非常接近,照准差、水平差、垂直差的偏差分别为0.015、0.22和0.014,系统误差的标定与坞内结果具有很好的一致性,完全能够满足经纬仪海上标校的要求。
环境对中波红外探测器测温精度的影响
孙志远, 王晶, 乔彦峰
2010, 3(6): 659-664.
摘要:
为了分析环境辐射和大气吸收对红外辐射特性测量精度的影响,对基于中波红外探测器的红外测温进行了研究。首先,介绍了影响中波红外探测器测温精度的几种辐射能,根据测温模型得出了红外探测器像元灰度值和辐射照度之间的关系公式,并进一步推导出辐射测温的修正公式。以高精度面黑体为目标进行了测温实验,对红外探测器像元的灰度值进行修正并计算测温误差。结果显示,修正前、后测温误差的均方根分别为3.56 ℃和0.27 ℃,测温精度得到了显著的提高,表明该修正公式可准确地修正环境和大气吸收对中波红外探测器测温精度的影响。
利用蒙特卡洛法分析红外光学系统的杂散辐射
赵楠, 薛育, 王晶
2010, 3(6): 665-670.
摘要:
介绍了杂散辐射的概念及其对光学系统成像质量的影响。以一透视式红外系统为例,通过对系统的光机结构的合理简化,利用杂散辐射分析软件Light tools中已有的蒙特卡洛分析方法,对已建立的红外系统光机结构的三维模型进行光线追迹分析,得到了系统像面的照度分布结果。同时,基于辐射度学相关理论对该系统中各结构表面的热辐射进行了定量计算,分析了结构中不同组成部分对系统像面的杂散辐射影响,提出本文系统中前镜框内表面为主要杂散辐射源。针对分析结果,探讨了红外系统的杂散辐射抑制方法,提出的方法可为后续设计提供参考。
地基多孔径成像系统验证实验设计
王晓明, 乔彦峰
2010, 3(6): 671-678.
摘要:
基于工程实践中高分辨率目标成像技术的需求,讨论了光学合成孔径成像技术的成像原理以及在提高成像分辨率方面的优越性,阐述了国内外在相关领域取得的科研成果及存在的技术难点。在现有加工工艺及装调检测条件下,设计了基于两个子望远镜的合成孔径成像实验。以斐索型多孔径望远镜为研究对象,从几何光学理论出发,讨论了地基斐索型合成孔径成像系统实验的可行性。分析实验中关键组件的调整精度,提出了合成孔径成像系统精确成像的方案。实验中设计了分辨率<0.03 mm的微调机构来保证系统获得清晰的像,并使用分辨率达到0.05 m的压电直线精密驱动器来保证两束光相位同步。分析结果表明,本文设计的地基多孔径成像系统实验切实可行,可得到合成孔径成像系统分辨率的确切值,为进一步研究合成孔径成像系统奠定了基础。
亚波长闪耀光栅矢量衍射效率计算
曹艳波, 艾华
2010, 3(6): 679-683.
摘要:
将矢量衍射数值算法严格耦合波分析用于精确计算亚波长闪耀光栅的衍射效率,并分析其衍射特性。建立了闪耀光栅的电磁介质模型,并将楔形不规则结构简化为多层矩形光栅结构,通过电磁场的介质分布建立严格耦合波方程。根据边界条件求解出各层的电磁场分布,再通过增透矩阵方法将各层电磁场依次迭代,求解出了整个结构的衍射效率。计算分析显示,对闪耀角为11.3、周期为500 nm的金属铝闪耀光栅可以得到高于90%的衍射效率和相应的闪耀级次。实验表明这种矢量衍射数值算法具有较高的准确性,可以推广应用于高致密刻线复杂光栅的衍射计算分析。