基于Matlab的變焦光學系統(tǒng)設計

高鐸瑞，鐘劉軍，趙昭，等

摘要：目的：變焦光學系統(tǒng)的設計一般都要經過高斯光學計算來確定系統(tǒng)的初始參數(shù)以及系統(tǒng)焦距的分配原則，基本結構形式的選取是否合理決定了鏡頭設計的成功與否。在初始計算時需要根據(jù)經驗對變倍補償組進行光焦度分配，這大大增加了在變焦系統(tǒng)設計過程中對經驗的依賴性。對于沒有設計經驗者，在沒有現(xiàn)成的初始結構時，對光焦度的分配存在一定困難。方法：本文提出采用Matlab仿真分析來分配變焦系統(tǒng)各組元光焦度的方法。以組元之間的間隔為初始量，把變倍組的物距作為自由量，求出滿足間隔要求的光焦度分配和組元運動形式。并通過Matlab仿真，模擬出變焦過程中各組元移動軌跡，分析各組元偏角、視場角等因素對系統(tǒng)復雜程度的影響，從而合理分配光焦度，合理取段，最后制定出一個相對較好的初始結構。對沒有經驗的設計者，是一種很好的方法。結果：設計了一個F數(shù)5，焦距范圍20～280 mm的14倍正組補償型變焦光學系統(tǒng)。通過Matlab仿真了各透鏡組和光闌在變焦過程中的移動軌跡。當變倍組移動時，系統(tǒng)焦距改變，像面同時發(fā)生位移，補償組透鏡作非勻速運動來補償像面位移。取平滑換根上半部分的m32和平滑換根下半部分的m31，以實現(xiàn)最快變焦。以系統(tǒng)焦距為自變量，各組元偏角為因變量通過Matlab仿真出變焦過程中各組元偏角的變化。光學系統(tǒng)中可以用偏角公式來定量地分析透鏡矯正像差的難易程度，可以看出固定組、變焦組和補償組光線的偏角隨焦距的增加而增大。變倍組和補償組偏角較大，尤其是在長焦的時，分別為0.587和0.422，說明本系統(tǒng)中變倍組具有最復雜的結構，補償組具有較為復雜的結構。應使各透鏡組在變焦過程中的偏角盡量減小，這樣可以減小系統(tǒng)的復雜程度?？梢愿淖兂跏紖?shù)，盡可能減小偏角，通過降低固定組的倍率可使各組元偏角下降，但系統(tǒng)的總長度會增加，所以要綜合考慮。根據(jù)設計要求取光學系統(tǒng)的半像高為5 mm，通過Matlab仿真了隨焦距變化各組元視場角的變化情況，可以看出從短焦到長焦各組元視場角逐漸變小。其中變倍組的視場較大，短焦時達到43.8°，說明本系統(tǒng)中變倍組有最復雜的結構，通過調整初始給定參數(shù)可以減小各組元視場，但減小各組元所承擔視場的代價是使各組元的偏角增大，同樣會增加結構的復雜程度，所以要找到視場與偏角之間一個相對適合的結果，盡量降低結構的復雜性。通過上述分析，可以更直觀地觀察系統(tǒng)在變焦過程中各組元的運動情況，所承擔偏角和視場角的變化情況，在光學設計之前對總體性能有了概括性了解，如本系統(tǒng)中為了保證筒長盡可能短，導致變倍組在長焦時承擔較大的偏角，短焦時視場角也比較大，所以在光學設計時應考慮使用特殊玻璃或者非球面來提高像質，由此對變倍組的公差要求也特別嚴格。通過前面分析，給出各組光焦度。利用Zemax光學設計軟件進行像差校正，優(yōu)化系統(tǒng)。并將前面分析計算出的焦距和優(yōu)化后的焦距對比，結果發(fā)現(xiàn)通過 Matlab分析分配的光焦度與實際優(yōu)化后的光焦度分配相差不大。結論：提出了用Matlab軟件仿真分析變焦光學系統(tǒng)的設計方法，通過仿真出變焦過程中各組元移動軌跡和偏角、視場的變化，分析各組元偏角、視場角等因素對系統(tǒng)的復雜程度的影響，綜合考慮后合理分配各組的光焦度，最后制定出初始結構。再利用Zemax進行像差校正以及系統(tǒng)優(yōu)化。設計結果表明：該系統(tǒng)在380～760 nm波段實現(xiàn)了20～280 mm連續(xù)變焦，系統(tǒng)凸輪曲線平滑無拐點，并且從傳遞函數(shù)曲線可看出系統(tǒng)在各焦距位置均有良好的成像質量。

來源出版物：中國激光,2014,41(4)：0416002

入選年份：2017

雙波長激光雷達探測典型霧霾氣溶膠的光學和吸濕性質

伯廣宇，劉東，吳德成，等

摘要：目的：隨著我國工業(yè)化和城市化進程的加快，人為污染物的排放量增加，導致霧霾發(fā)生幾率增大。氣溶膠的光學和吸濕性質信息對研究霧霾形成的機制至關重要，因而必須加強霧霾過程中氣溶膠的光學和吸濕性質的觀測和觀測方法研究。本文利用雙波長激光雷達水平測量方法，分析霧霾過程中氣溶膠消的光系數(shù)、波長指數(shù)和吸濕增長因子隨地面相對濕度的變化。方法：觀測地點位于合肥市區(qū)西郊，觀測中使用了一臺自研的532～1064 nm雙波長米氏散射激光雷達。激光雷達水平探測時采用斜率法計算大氣的水平消光系數(shù)，從激光雷達獲得的1064 nm和532 nm氣溶膠的消光系數(shù)，計算得到氣溶膠的Angstrom波長指數(shù)。大氣水平能見度可以用激光雷達測量532 nm波長的大氣水平消光系數(shù)計算得到。同步獲取的相對濕度和溫度數(shù)據(jù)來自位于同一觀測點的35 m鐵塔上的氣象溫濕度傳感器，風速數(shù)據(jù)來自鐵塔上的超聲風速儀結果：通過個例分析可以看出，霧霾發(fā)生過程中消光系數(shù)和相對濕度呈明顯的正相關性，顯示粒子有較強的吸濕增長能力，說明粒子中親水性成分占主導地位。在霾—霧—霾轉化過程中大氣中的氣溶膠粒子隨相對濕度的增大或減小，不斷地發(fā)生著潮解或風化過程，在潮解、風化過程中，單個粒子的粒徑和折射指數(shù)等微物理參數(shù)隨之變化，致使氣溶膠粒子群宏觀上的光學性質也在發(fā)生變化。從氣溶膠光學和吸濕增長性質分析中可以看出，相對濕度從 32%增加至45%時，消光系數(shù)吸濕增長因子基本不變且約等于1。當相對濕度增加至72%時，532 nm波長吸濕增長因子增加至1.9。在對應的相對濕度上，1064 nm波長計算的吸濕增長因子略大于用532 nm波長計算的吸濕增長因子。波長指數(shù)隨著相對濕度的增加從1.4減小到 1.1以下，波長指數(shù)的減小趨勢同粒子的吸濕增長是對應的，顯示氣溶膠粒子吸濕增長最終導致其粒徑呈增大的趨勢。當相對濕度從72%增加至93%時，利用532 nm波長計算的吸濕增長因子從1增加至約2.3，呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢。而波長指數(shù)從1減小至0.6左右，呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢，當相對濕度為93%時，這時已經了形成粒徑很大的霧粒子。利用1064 nm波長計算的吸濕增長因子，其變化趨勢與532 nm波長基本一致，但在93%的相對濕度上吸濕增長因子達到2.5，高于利用532 nm波長計算的結果。在兩個波長上，均顯示歸一化吸濕性增長因子（2013年1月）是歸一化吸濕性增長因子（2012年1月）的兩倍，說明粒子吸濕增長速度不是線性的，相對濕度越大粒子吸濕性增長越快。用1064 nm波長計算得到的歸一化吸濕增長因子略高于用532 nm波長的計算結果，其原因應當是根據(jù)米氏散射理論的尺度參數(shù)，隨著氣溶膠粒徑的吸濕增長，波長較長的1064 nm光對大粒子更敏感，粒子對1064 nm波長的消光效率增加速度要快于532 nm波長。在兩次觀測過程中，波長指數(shù)的大小和變化趨勢在72%的相對濕度點上可以很好地銜接起來，顯示的兩次個例觀測時間雖然是相隔一年開展的，但是粒子由于吸濕增長而引起的粒徑變化應當有可比性。對比波長指數(shù)同吸濕增長因子之間的關系可以發(fā)現(xiàn)相對濕度越大粒子粒徑的增長速度越快，與粒徑大小密切相關的波長指數(shù)增大的速度越快，導致吸濕增長因子與波長指數(shù)的相關性越大。結論：兩次個例觀測結果表明：1）無風或微風的氣象條件使得地面細顆粒物積聚，對霧霾的形成階段起到重要作用；2）粒子因吸濕增長引起氣溶膠粒子消光效率的進一步增強，加劇了能見度的降低，對霧霾的持續(xù)和惡化起到重要作用。利用水平探測的激光雷達結合地面相對濕度的觀測研究方法，可以有效地獲取霧霾氣溶膠的消光系數(shù)、波長指數(shù)、能見度和吸濕增長因子隨相對濕度的變化規(guī)律。該方法可以成為地面取樣觀測儀器的有效補充，從而豐富對霧霾光學和吸濕性質的觀測手段。

來源出版物：中國激光,2014,41(1)：0113001

入選年份：2017

星載大相對孔徑寬視場成像光譜儀光學系統(tǒng)設計

薛慶生

摘要：目的：現(xiàn)有航天遙感成像光譜儀光學系統(tǒng)的集光能力和視場不能滿足航天海洋水色遙感等領域的需求，因此迫切需要解決現(xiàn)有航天遙感成像光譜儀光學系統(tǒng)相對孔徑小、集光能力弱、視場覆蓋范圍小的問題。另外，航天遙感應用還要求成像光譜儀具有結構緊湊的特點，因此，星載大相對孔徑寬視場成像光譜儀是未來航天成像光譜儀的主要發(fā)展方向。方法：成像光譜儀由望遠鏡和光譜儀組成。其中，望遠成像系統(tǒng)要求具有大相對孔徑（1.2︰1）和寬視場（3.9°），常用的R-C望遠鏡和三反（TMA）望遠鏡不能滿足要求。離軸Schwarzschild望遠鏡可獲得大視場和較大的相對孔徑，但其體積較大，不適合應用在焦距幾百毫米量級的空間光學系統(tǒng)。折疊Schmidt結構的望遠成像系統(tǒng)具有較大的相對孔徑和視場以及較小的體積。其光學結構由雙膠合Schmidt校正板、平面折疊鏡、球面主鏡和雙膠合場鏡組成。通常，Schmidt系統(tǒng)的孔徑光闌位于校正板上，為了獲得更好的像方遠心性能，將孔徑光闌設在球面主鏡上。為了便于與光譜成像系統(tǒng)實現(xiàn)光瞳匹配，將望遠系統(tǒng)優(yōu)化至準像方遠心狀態(tài)。光譜成像系統(tǒng)是一個大相對孔徑、寬波段（350～1050 nm）的成像系統(tǒng)，在設計方案上優(yōu)先考慮Dyson光譜成像系統(tǒng)，這種光譜儀利用Dyson透鏡和凹面光柵的同心結構以實現(xiàn)大相對孔徑和寬波段光譜成像。傳統(tǒng)的Dyson光譜成像系統(tǒng)存在色差嚴重和探測器安裝困難的缺點。為了解決Dyson光譜儀的這兩個缺陷，將光譜儀中的Dyson單透鏡改成消色差的雙膠合透鏡，實現(xiàn)寬譜段的色差校正。其次，將入射狹縫和焦面與Dyson透鏡的平面分開一定的距離，便于入射狹縫和探測器的放置。此外，為了消除光譜成像系統(tǒng)中的球差，在光柵與Dyson透鏡之間放置非球面校正透鏡，校正透鏡的前后表面分別為球面和二次曲面。最后將望遠鏡和光譜儀進行拼接，得到大相對孔徑寬視場的航天成像光譜儀。結果：望遠系統(tǒng)不同視場成像點的彌散斑尺寸均小于1個像元（10 μm×10 μm）。各視場的光學傳遞函數(shù)在奈科斯特頻率50 lp/mm處大于0.8，具有良好的成像質量。改進型Dyson光譜成像系統(tǒng)不同波長和不同視場下的彌散斑均小于1個像元，中心波長和邊緣波長94%以上的能量集中在一個探測器像元內。其工作波段內的色散寬度為 7.85 mm，光譜分辨率為2.68 nm。望遠鏡和光譜儀拼接后的整體光學系統(tǒng)的傳函大于 0.77@50 lp/mm,具有優(yōu)良的成像質量，可滿足航天海洋遙感的需求。結論：針對目前航天遙感器相對孔徑小、波段范圍窄、空間覆蓋不足的特點，設計了一種具有高集光能力、大覆蓋范圍與寬波段的航天成像光譜儀。該光譜儀由折疊 Schmidt結構的望遠和改進型的Dyson光譜儀組成，具有較為緊湊的體積，并可以在寬波段內進行清晰的高光譜探測。該光譜儀的設計為未來的航天海洋遙感應用奠定了技術基礎。

來源出版物：中國激光,2014,41(3)：0316003

入選年份：2017

飛秒激光微孔加工

夏博，姜瀾，王素梅，等

摘要：目的：飛秒激光具有超快、超強的特性，在微孔加工中有著獨特的優(yōu)勢，尤其是針對高品質、大深徑比的微孔加工有著不可替代的作用。過去的十幾年間，飛秒激光微孔加工一直是熱點課題。在眾多的加工方法中，沿激光傳播方向直接鉆孔的方式使用最廣泛，也是最方便最直接的激光微孔加工方式，本文對超短脈沖激光微孔加工技術理論和實驗方面的研究進展、應用、存在問題做一較為全面的回顧及對未來的展望。方法：系統(tǒng)地總結了超短脈沖激光微孔加工的優(yōu)勢以及研究意義，從加工機理、激光脈沖參數(shù)、加工方式、加工環(huán)境4個方面綜述了近十幾年來基于超短脈沖激光的微孔加工研究現(xiàn)狀，并討論了眾多因素對超短脈沖激光微孔加工的影響。指出了現(xiàn)階段超短脈沖激光微孔加工的應用前景，并總結了超短脈沖激光微孔加工當前所面臨的挑戰(zhàn)，以及今后的研究重點。結果：隨著飛秒激光器技術以及飛秒激光制造工藝的不斷成熟，飛秒激光微孔加工技術在工業(yè)領域逐漸取代部分傳統(tǒng)加工技術，加工出高質量微孔結構。在許多微孔加工的應用中，制造的要求逐漸提高。飛秒激光在非金屬材料上的強閾值效應和多光子吸收，使得飛秒激光能夠突破衍射極限，加工出高深徑比微納米小孔。而且，飛秒激光的超快特性決定，其脈寬短于絕大多數(shù)物理特征時間，使之加工出的微孔具有極小化重鑄層、極小化熱影響區(qū)、無微裂紋、可重復性高等高品質特點，這也促使高深徑比微孔加工成為可能。飛秒激光微孔制造是推動制造業(yè)發(fā)展和進步的關鍵技術之一，極端尺寸、極高質量也正是飛秒激光微孔制造發(fā)展的必然趨勢。結論：飛秒激光能夠在絕大多數(shù)材料基底上加工出高品質的微孔，尤其是直徑較小的高深徑比孔，充分展示出了飛秒激光在微孔制造方面的優(yōu)勢，是目前國內外極端制造領域的研究熱點。隨著飛秒激光微孔加工方面的研究日益深入，其應用也越來越廣。然而，現(xiàn)階段飛秒激光微孔制造仍然面臨很大挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在理論研究和工程技術兩個方面。理論研究方面，飛秒激光微孔加工是一個從飛秒到毫秒、從納米到微米的跨尺度非線性過程，目前尚無模型能夠完整描述整個過程。工程技術方面，飛秒激光超快、超強特性導致各因素之間難以耦合，很難形成一套成熟的飛秒激光微孔加工工藝優(yōu)化準則，這已經成為制約激光微孔加工的瓶頸問題。近些年，在多尺度新模型的建立、電子狀態(tài)調控等新方法的探索等方面，飛秒激光微孔加工將會出現(xiàn)重大突破。

來源出版物：中國激光,2013,40(2)：0201001

入選年份：2017