基于Matlab的變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

高鐸瑞，鐘劉軍，趙昭，等

摘要：目的：變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計一般都要經(jīng)過高斯光學(xué)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(jié)構(gòu)形式的選取是否合理決定了鏡頭設(shè)計的成功與否。在初始計算時需要根據(jù)經(jīng)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(shè)計過程中對經(jīng)驗的依賴性。對于沒有設(shè)計經(jīng)驗者，在沒有現(xiàn)成的初始結(jié)構(gòu)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(fù)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(jié)構(gòu)。對沒有經(jīng)驗的設(shè)計者，是一種很好的方法。結(jié)果：設(shè)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(xué)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(dāng)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(xué)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)，補償組具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。應(yīng)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(fù)雜程度。可以改變初始參數(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(shè)計要求取光學(xué)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(dá)到43.8°，說明本系統(tǒng)中變倍組有最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通過調(diào)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(dān)視場的代價是使各組元的偏角增大，同樣會增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，所以要找到視場與偏角之間一個相對適合的結(jié)果，盡量降低結(jié)構(gòu)的復(fù)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(dān)偏角和視場角的變化情況，在光學(xué)設(shè)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(dǎo)致變倍組在長焦時承擔(dān)較大的偏角，短焦時視場角也比較大，所以在光學(xué)設(shè)計時應(yīng)考慮使用特殊玻璃或者非球面來提高像質(zhì)，由此對變倍組的公差要求也特別嚴(yán)格。通過前面分析，給出各組光焦度。利用Zemax光學(xué)設(shè)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(jié)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(jié)論：提出了用Matlab軟件仿真分析變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)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(fù)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(jié)構(gòu)。再利用Zemax進行像差校正以及系統(tǒng)優(yōu)化。設(shè)計結(jié)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(zhì)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(dá)探測典型霧霾氣溶膠的光學(xué)和吸濕性質(zhì)

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(dǎo)致霧霾發(fā)生幾率增大。氣溶膠的光學(xué)和吸濕性質(zhì)信息對研究霧霾形成的機制至關(guān)重要，因而必須加強霧霾過程中氣溶膠的光學(xué)和吸濕性質(zhì)的觀測和觀測方法研究。本文利用雙波長激光雷達(dá)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(dá)。激光雷達(dá)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(dá)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(dá)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(fēng)速數(shù)據(jù)來自鐵塔上的超聲風(fēng)速儀結(jié)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(guān)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(dǎo)地位。在霾—霧—霾轉(zhuǎn)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(fēng)化過程，在潮解、風(fēng)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(xué)性質(zhì)也在發(fā)生變化。從氣溶膠光學(xué)和吸濕增長性質(zhì)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(dāng)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(yīng)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(yīng)的，顯示氣溶膠粒子吸濕增長最終導(dǎo)致其粒徑呈增大的趨勢。當(dāng)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(dāng)相對濕度為93%時，這時已經(jīng)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(dá)到2.5，高于利用532 nm波長計算的結(jié)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(jié)果，其原因應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)有可比性。對比波長指數(shù)同吸濕增長因子之間的關(guān)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(guān)的波長指數(shù)增大的速度越快，導(dǎo)致吸濕增長因子與波長指數(shù)的相關(guān)性越大。結(jié)論：兩次個例觀測結(jié)果表明：1）無風(fēng)或微風(fēng)的氣象條件使得地面細(xì)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(dá)結(jié)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(xué)和吸濕性質(zhì)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計

薛慶生

摘要：目的：現(xiàn)有航天遙感成像光譜儀光學(xué)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(lǐng)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(xué)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(yīng)用還要求成像光譜儀具有結(jié)構(gòu)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(yuǎn)鏡和光譜儀組成。其中，望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡和三反（TMA）望遠(yuǎn)鏡不能滿足要求。離軸Schwarzschild望遠(yuǎn)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(yīng)用在焦距幾百毫米量級的空間光學(xué)系統(tǒng)。折疊Schmidt結(jié)構(gòu)的望遠(yuǎn)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(xué)結(jié)構(gòu)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(yuǎn)心性能，將孔徑光闌設(shè)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(yuǎn)系統(tǒng)優(yōu)化至準(zhǔn)像方遠(yuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)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(yán)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(yuǎn)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(jié)果：望遠(yuǎn)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(xué)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(zhì)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(nèi)。其工作波段內(nèi)的色散寬度為 7.85 mm，光譜分辨率為2.68 nm。望遠(yuǎn)鏡和光譜儀拼接后的整體光學(xué)系統(tǒng)的傳函大于 0.77@50 lp/mm,具有優(yōu)良的成像質(zhì)量，可滿足航天海洋遙感的需求。結(jié)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(shè)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(jié)構(gòu)的望遠(yuǎn)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(nèi)進行清晰的高光譜探測。該光譜儀的設(shè)計為未來的航天海洋遙感應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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(zhì)、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(shù)理論和實驗方面的研究進展、應(yīng)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(jié)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(yīng)用前景，并總結(jié)了超短脈沖激光微孔加工當(dāng)前所面臨的挑戰(zhàn)，以及今后的研究重點。結(jié)果：隨著飛秒激光器技術(shù)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(shù)在工業(yè)領(lǐng)域逐漸取代部分傳統(tǒng)加工技術(shù)，加工出高質(zhì)量微孔結(jié)構(gòu)。在許多微孔加工的應(yīng)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(yīng)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(fù)性高等高品質(zhì)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(guān)鍵技術(shù)之一，極端尺寸、極高質(zhì)量也正是飛秒激光微孔制造發(fā)展的必然趨勢。結(jié)論：飛秒激光能夠在絕大多數(shù)材料基底上加工出高品質(zhì)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(nèi)外極端制造領(lǐng)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(yīng)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(shù)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(shù)方面，飛秒激光超快、超強特性導(dǎo)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(zhǔn)則，這已經(jīng)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(diào)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