1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，吉林 长春 130022
积分球出射光在远距离处的大辐照面上辐照均匀性及辐照度受出射光角度影响较大。针对这一问题，提出将复合抛物面聚光器逆用为复合抛物面反射器的积分球出射光角度调制方法。首先，研究复合抛物面反射器光束调制原理并推导抛物线方程；其次，分析复合抛物面反射器的参数对辐照面辐照均匀性及辐照度的影响，确定复合抛物面反射器的发散角与截取比等尺寸参数；最后，建立发散式太阳模拟器光学系统模型并仿真。仿真结果表明：复合抛物面反射器将积分球出射光半角由82°调制为25°；在太阳模拟器有效辐照面Φ1000 mm内，与未使用复合抛物面反射器相比，当复合抛物面反射器的截取比为20%时，辐照均匀性提高了0.24倍，为97.30%，辐照度提高了5.1倍，为553.54 W/m2，实现了远距离处高辐照均匀性的大辐照面模拟。
光学设计 照明设计 太阳模拟器 复合抛物面反射器 截取比 光束调制 中国激光
2023, 50(22): 2204002
针对目前基于数字微镜（Digital Micromirror Device，DMD）的光谱模拟中，光谱模拟单元具有不同偏态性质且存在非线性调制等特点，提出了一种适用于多种色温调制的基于模糊PID控制的恒星光谱模拟方法。构造了DMD工作矩阵、光谱调制权重矩阵、光谱分布函数矩阵以及目标光谱矩阵，建立了基于DMD的光谱模拟数学模型；然后，研究了基于遗传算法优化BP神经网络的光谱分布函数拟合算法，在400~800 nm的峰值波长内实现了光谱分布函数拟合；提出了一种基于模糊PID控制的光谱模拟算法，选择模糊集合与隶属度函数，制定了模糊推理以及解模糊化规则。仿真分析了模糊PID控制器性能，结果表明与PID控制相比，模糊PID控制的超调量减小90.7%，调节时间缩短了69.4%。最后，实验验证了3 000~11 000 K色温光谱分布曲线的模拟精度，结果表明：光谱模拟误差优于±4.21%；相较于PID控制，模糊PID控制在3 000，6 500以及11 000 K色温的最大光谱模拟精度分别提高了2.31倍，1.71倍和2.02倍。所提出的方法可以进一步提升光谱模拟精度，为高精度星敏感器的地面标定提供理论与技术基础。
光谱模拟 模糊控制 遗传算法 数字微镜 BP神经网络算法 spectral simulation fuzzy control genetic algorithm digital micromirror BP neural network algorithm 光学 精密工程
2023, 31(11): 1619
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，吉林 长春 130022
3 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
4 吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130012
5 空军航空大学，吉林 长春 130022
6 长春市琬逸科技应用有限公司，吉林 长春 130022
针对目前“扫描式”反射光场测量系统依赖复杂机械装置、测量效率低以及“照相式”反射光场测量系统测量角度范围小等问题，提出一种基于超广角成像的粗糙面反射光场测量方法。分析了粗糙面反射光场测量原理，优化设计了折反射超广角成像光学系统，实现了天顶角范围0~54°的周视反射光场测量；校准了反射光场测量系统的空间关系与光场强度，校准后反射光场测量最大相对误差为4.12%，周视反射光场测量平均相对误差最大为2.06%；通过模拟Labsphere Permaflect-80漫反射板、WhiteOptics-DF60漫反射板和美国ACA镜面铝板3种粗糙面的反射光场测量结果，证明了所提表面反射光场测量方法的可行性，丰富了粗糙表面反射光场的测量手段，为对材料表面光学反射特性与损伤等的测量、模拟与重构提供了研究基础与技术支撑。
双向反射分布函数 超广角成像 反射光场 粗糙表面 光学学报
2023, 43(11): 1112002
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，吉林 长春 130022
3 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
4 吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130012
5 空军航空大学飞行训练基地第二训练团，吉林 长春 130022
针对目前标准散射体定标存在定标时间长、定标后通用性差、定标结果无法溯源到气象光学视程（MOR）定义等问题，提出了一种可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法，确定了一种标准散射体多角度同步定标光学系统架构，优化设计了照明光学系统与光场测量光学系统。照明光学系统的均匀性为98.53%，发散角为1.48°；光场测量光学系统的散射角度测量范围为20°~50°，散射角度分辨率为1°，周视角度分辨率为2°。研究了一种基于先验光场分布的定标系统能量校准方法，利用标准朗伯散射体仿真定标系统的能量校准误差，其中散射角度为31°时周视平均相对误差最大，为2.28%。据此，基于理想2700 K色温白炽灯的光谱分布仿真验证了可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法的定标精度。结果表明：标准朗伯散射体散射角度20°~50°所表征的MOR量值范围为6.54~45.74 m，符合世界气象组织对MOR的定义，最大绝对误差为-2.41 m，优于国际民航组织规定的前向散射仪测量精度要求的1/10，为可溯源至MOR定义的标准散射体定标提供理论基础和技术支持。
测量 气象光学视程 标准散射体 散射光场 定标精度 能量校准误差 中国激光
2023, 50(10): 1004003
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，吉林 长春 130022
3 连云港杰瑞电子有限公司，江苏 连云港 222000
针对积分器入射面的辐照不均匀度高导致的太阳模拟器辐照均匀性较差的问题，设计了一种自由曲面聚光镜。基于点光源模型，根据能量守恒定律和非成像光学中的边光理论，建立光源出射角度与目标面对应点的映射关系；依据菲涅耳定律结合映射关系推导出微分方程，通过龙格-库塔法求解微分方程，计算出离散点数据；拟合离散点数据得到自由曲面聚光镜的母线，旋转母线获得自由曲面聚光镜的初始结构。使用贝塞尔曲线表征自由曲面母线，利用模拟退火算法对引入扩展光源的自由曲面进行反馈优化，从而得到连续的自由曲面面形。采用LightTools软件仿真太阳模拟器光学系统，结果表明：自由曲面聚光镜的辐照均匀性较椭球聚光镜的辐照均匀性显著提升，辐照面50 mm内辐照不均匀度优于0.32%，辐照面100 mm内辐照不均匀度优于0.53%；通过误差仿真分析，依据现有自由曲面加工与检测水平，验证了所设计自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。
光学设计 太阳模拟器 自由曲面 辐照不均匀度
杨松洲 1,2,3,*张国玉 1,2,3孙高飞 1,2,3刘石 1,2,3徐达 1,2,3
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 光电测控与光电信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
3 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，吉林 长春 130022
为解决现有星模拟器无法模拟天空背景变化的问题，提出了一种用于测试星敏感器工作性能的背景可调星模拟器。设计了离轴反射式准直光学系统，通过在主光路中引入半反半透镜产生两个共轭焦面，星点分划板和杂光光阑分别由恒星光源模拟器和背景光源模拟器中的两个积分球照亮。实时监测积分球出口辐照度并根据星点和背景亮度的需要控制光源的输出功率。两路光束合束后准直成像为平行光，最终被星敏感器接收，从而实现具有可变星空背景且视星等可变的恒星模拟。测试结果表明，该系统的视星等在-2.00~6.00范围内连续可调，视星等模拟精度为0.30，背景光源均匀性达到97.3%。该系统可较好地模拟星敏感器运行时恒星的背景变化，有效提升星敏感器的性能测试精度。
光学设计 星模拟器 恒星模拟 背景模拟 星敏感器 激光与光电子学进展
2022, 59(23): 2322001
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，吉林 长春 130022
3 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
针对目前大气透射仪校准领域无法溯源到世界气象组织对能见度定义的难题，以及如何实现满足国际民航组织(ICAO)观测要求的2700 K色温光谱模拟问题，本文提出了一种基于数字微镜的大气透射仪校准光源的光谱模拟方法。首先分析了光谱模拟单元的偏态性质，选用Bigaussian、Asym2Sig和ECS三种函数分别作为正偏态、正态以及负偏态分布光谱模拟单元的拟合函数；然后采用Gaussian函数以及Bigaussian、ECS、Asym2Sig三种函数组合进行光谱模拟对比实验，两者的光谱模拟误差分别为33.4%和25.2%，这表明三种函数组合代替Gaussian函数进行光谱模拟具有可行性；之后分析了影响光谱模拟误差的主要因素，提出了一种基于最大模拟误差的光谱修正方法，并在410～460 nm局部波段验证了光谱修正方法的正确性，最终实现了380～780 nm波段范围内2700 K色温光谱模拟误差为6.2%，较修正前整体光谱调制能力提高了4.06倍。
光谱学 大气透射仪 大气能见度 光谱模拟 黑体色温 校准方法 中国激光
2022, 49(11): 1111001
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心, 吉林 长春 130022
3 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室, 吉林 长春 130022
4 中国气象局气象探测中心, 北京 100081
为解决太阳直接辐射测量过程中跟踪装置导致的全年测量均匀性难以保证的关键问题、实现无需跟踪的太阳直接辐射全季全纬度均匀测量,提出了一种用于太阳直接辐射测量的自由曲面反射镜优化设计方法。分析了全球太阳直接辐射角度变化规律,建立了自由曲面反射镜初始结构模型;构建了时空尺度下辐照度均匀性(RFUS)评价函数,建立了二分进化与无余变长机制,提出了基于进化策略的自由曲面反射镜优化方法;以地球全纬度地区太阳直接辐射均匀测量为目标,迭代优化并仿真分析了染色体细分参量分别为3°,1°,0.5°,0.25°的4种代表性自由曲面反射镜面型。结果表明:染色体细分参量为0.25°时RFUS最优,为92.36%;搭建反射光斑中心位置及RFUS验证实验,所提方法得到的光斑中心最大直线距离约为1.5 mm,RFUS为90.34%,该方法可实现全时空太阳直接辐射均匀测量,为后续太阳辐射测量领域新产品和新应用提供理论基础和技术支持。
光学设计 太阳直接辐射测量 自由曲面 进化策略 时空均匀性 非成像光学
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心, 吉林 长春 130022
3 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室, 吉林 长春 130022
针对等曲率光学积分器输出光斑的边缘辐照能量低而导致辐照面均匀性差的问题,基于衍射理论提出辐射能量微分、积分法,设计一种变曲率光学积分器。根据菲涅耳数来确定积分器通道的口径和数目,等距划分辐照分布曲线。根据积分器中各圈子眼透镜焦距的不同,对辐照分布曲线进行阶梯式叠加。基于衍射理论建立二维平面的变曲率光学积分器数学模型,推导工作面上的光强分布数学函数。利用Zemax软件对场镜组中各圈子眼透镜进行非球面优化设计以提高成像质量、消除旁瓣效应。采用LightTools软件仿真变曲率光学积分器与等曲率光学积分器,并对比分析它们的性能差异。结果表明,变曲率光学积分器能够使太阳模拟器输出光斑的边缘辐照能量明显提高,与等曲率光学积分器相比最高提升56%,Φ100 mm辐照面内的辐照不均匀度优于±0.5%,Φ200 mm辐照面内优于±1%。
几何光学 太阳模拟器 变曲率光学积分器 衍射理论 菲涅耳数 非球面
