1 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
光学稀疏孔径技术以其所具有的降低透镜加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超构透镜的设计和优化中。然而，目前稀疏孔径超构透镜的研究仅限于单波长，通常难以应用到宽波段成像领域。笔者基于波前编码和稀疏孔径技术设计了一种消色差稀疏孔径超构透镜。该消色差稀疏孔径超构透镜在加工面积降低至全孔径超构透镜25%的情况下，在可见光波段（400~700 nm）可实现与理想透镜一致的分辨率。该消色差稀疏孔径超构透镜既实现了对可见光波段的消色差，又解决了大孔径超构透镜的加工难题，具有加工成本低、消色差范围大、成像清晰等特点，在图像采集领域具有重要的应用价值。
光学器件 超构透镜 消色差 光学稀疏孔径 波前编码 维纳滤波
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 精密光电测试仪器与技术北京市重点实验室，北京 100081
3 北京理工大学长三角研究院（嘉兴），浙江 嘉兴 314019
分析了一维多孔径阵列的成像特性，选取子孔径间距比为1∶2的一维非冗余三孔径结构为基阵列，以最大化频域覆盖为设计标准，设计了沿基线方向对基阵列在360°范围内以不同角度进行多次旋转的新型合成孔径结构，以提高中频调制传递函数（IFMTF）和系统成像质量。当填充因子为28.51%时，旋转合成得到的九孔径阵列的IFMTF值（0.1223）大于Golay-9阵列的0.0782。仿真和实验结果的定量和定性评价均证明了所提方法的有效性。
成像系统 光学稀疏孔径 一维多孔径阵列 旋转合成 中频调制传递函数 频域覆盖
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 吉林省智能波前传感与控制重点实验室，吉林 长春 130033
为了更好地对大口径稀疏孔径望远镜进行共焦调控，利用曲率传感方法非干涉、大范围、波段鲁棒的特点。首先，利用近场电磁波的传输方程分析了稀疏孔径望远镜共焦调控的基本原理。其次，结合曲率传感理论，进行了稀疏孔径望远镜共焦调控误差分析。再次，对于曲率传感稀疏孔径望远镜共焦检测的可行性进行了分析与实验。之后，利用桌面实验实现了大口径稀疏孔径望远镜共焦检测的原理贯通。最终，波前倾斜探测结果与原始波前相比，相关性从0.26上升至0.83。利用曲率传感可实现20个波长范围的共焦测量，避免了传统方法对像点进行多次移动标校以及逐个调节的缺点。文中实现了大通量共焦误差感知与收敛调控，为未来大口径稀疏孔径望远镜的建设打下技术基础。
曲率传感 波前像差 稀疏孔径望远镜 共焦 curvature sensing wavefront aberration sparse aperture telescope co-focus 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230050
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 苏州科技大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215009
3 江苏省研究生工作站苏州苏大明世光学股份有限公司，江苏 苏州 215028
4 江苏省研究生工作站苏州一光仪器有限公司，江苏 苏州 215006
5 苏州明世光学科技有限公司，江苏 苏州 215028
基于双泽尼克多项式推导稀疏孔径光学系统与视场相关的广义光瞳函数，以Golay3稀疏孔径成像系统为例，通过ZEMAX软件进行光学设计和数据拟合获得广义光瞳函数的双泽尼克多项式系数，根据傅里叶变换关系计算得到稀疏孔径光学系统的调制传递函数（MTF），并针对不同视场稀疏孔径光学系统进行成像模拟和图像复原。结果表明，调制传递函数的理论计算结果与ZEMAX设计结果一致，利用双泽尼克多项式可以表示不同视场稀疏孔径光学系统的成像特性。构建与视场相关的维纳滤波器进行图像复原，可有效提高不同视场稀疏孔径光学系统的成像质量。
成像系统 稀疏孔径 双泽尼克多项式 视场 维纳滤波器 光学学报
2023, 43(10): 1011001
四川大学 电子信息学院, 四川 成都 610064
稀疏孔径光学成像系统有固定的填充因子和确定的传函特性。为提高系统成像性能, 增强其中频信息, 分析了变焦结构对离散稀疏孔径系统成像的影响, 推导了焦距、填充因子、调制传递函数(MTF)之间的关系式。设计了一个焦距为2857~4000mm范围内可变焦稀疏孔径成像系统。成像特性分析表明, 系统焦距变小, 填充因子随之增大, MTF截止频率减小, 但MTF中频响应增强。通过图像融合将大填充因子清晰的中频条纹信息用于补偿小填充因子缺失的中频信息, 仿真成像结果证明, 不同填充因子下得到的图像通过融合后可有效提高整体图像各频段的成像质量。
变焦系统 稀疏孔径成像 填充因子 调制传递函数 图像融合 zoom system sparse-aperture imaging filling factor modulation transfer function image fusion
Author Affiliations
Abstract
1 Laboratory of Information Optics and Optoelectronic Technology, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Key Laboratory of Advanced Optical Manufacturing Technologies of Jiangsu Province & Key Laboratory of Modern Optical Technologies of the Ministry of Education, Soochow University, Suzhou 215006, China
We present a kind of large effective aperture metalens based on an optical sparse aperture (OSA) system. Each subaperture of the system is a metalens, which is comprised of just a thin Au film with patterned subwavelength rectangular annular arrays on a SiO2 substrate and has a numerical aperture of 0.46 with a diameter of 21.6 μm. Ring6 design was selected to enlarge the effective aperture and enhance the spatial resolution. Compared with the absent mid-frequency and high-frequency modulation transfer function of individual metalens, Ring6 can offer a full-frequency band and show a better restored image quality by using Tikhonov regularization.
optical sparse aperture metalens rectangular annular arrays Chinese Optics Letters
2020, 18(10): 100001
1 南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院, 江苏 南京 210023
2 中国空间技术研究院北京空间机电研究所, 北京 100094
根据液体透镜稀疏孔径成像的特点,提出一种辐射状多子镜阵列结构;给出稀疏孔径成像的简化模型,通过多子镜结构的光瞳函数,得出调制传递函数的解析表达式;给出此多子镜阵列结构的具体分布形式,采用无量纲方法对结构参数进行约化;讨论2种辐射状多子镜阵列的结构情况,计算填充因子、冗余度、调制传递函数和其他特性参数;讨论参数扫描所表现的物理现象,并对比这2种阵列的结构特征和成像特性;对辐射状多子镜阵列结构和复合环形结构的特性指标进行比较。结果表明:在2种结构的平均调制传递函数以及调制传递函数中频特性值相接近的情况下,选择具有更大实际等效口径和实际截止频率以及更低冗余度的Ⅱ型结构;Ⅱ型结构在成像方面具有一定优势;由于基于液体透镜的多子镜阵列结构采用无量纲约化参数,因此结论普适于任意的包围圆尺寸;与复合环形结构相比,当填充因子相同时,辐射状多子镜结构有更大的实际截止频率和实际等效口径。
成像系统 调制传递函数 液体透镜阵列 稀疏孔径 光瞳函数
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
研究了稀疏孔径镜面硬点与边缘传感器布局对稀疏孔径相对位姿控制精度的影响。利用离散孔径镜面几何特性, 建立了一个由7个圆形子孔径组成的主镜模型, 并推导了子孔径间相对位姿控制矩阵。鉴于控制矩阵条件数大这一特点, 采用广义最小二乘法求解, 引入岭估计并给出了控制矩阵误差函数上确界, 分析了128种边缘传感器与硬点布局以及几何距离对控制矩阵条件数的影响。仿真结果表明: 硬点和边缘传感器的几何布局与系数矩阵存在内在联系; 离散孔径相对位姿控制系数矩阵存在严重的复共线现象,法矩阵出现严重病态; 硬点布局与改善系数矩阵病态性弱相关; 在硬点布局一定时, 增大相邻两边缘传感器间距, 控制矩阵条件数明显减小。针对控制矩阵病态问题,采用岭估计通过选择合适的岭参数病态特征得到了有效抑制, 该方法更能有效利用冗余的边缘传感器结构, 实现数据融合并保证测量系统的稳定可靠。
主动光学 位姿控制 岭估计 稀疏孔径 active optics pose control ridge regression sparse aperture 红外与激光工程
2019, 48(3): 0318003
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了更好地对稀疏孔径大口径望远镜进行装调, 利用旋量理论对串联机械臂在系统装调中的应用进行了研究。首先, 利用旋量理论分析了串联机械臂进行稀疏孔径望远镜装调的基本原理。其次, 结合旋量理论与基本的几何关系分析了稀疏孔径望远镜装调原理, 并对子孔径测量过程进行了误差分析。之后, 对串联机械臂携带点光源显微镜(PSM)进行装调的可行性进行了分析与实验, 证明了处于串联机械臂携带状态的点光源显微镜与位于实验室环境下像点稳定性相近。最后, 分析了串联机械臂结合点光源显微镜在大口径稀疏孔径望远镜装调检测中的应用。
串联机械臂 旋量理论 稀疏孔径望远镜 serial robot arm screw theory sparse aperture telescope 红外与激光工程
2018, 47(8): 0818002
