1 季华实验室 光电科学与技术研究部, 广东 佛山 528200
2 中国人民解放军96035部队, 吉林 吉林, 132101
为了满足精准高效快速部署航天遥感器对轻小型空间相机的迫切需求，对满足轻小型相机成像的光学系统形式及成像体制进行了详细对比分析，确定了RC+补偿组的光学系统形式，采用小F数+微小像元的成像体制。对比美国鸽子相机的详细参数，设计了500 km轨道高度上可实现3.48 m分辨率的轻小型全铝高分相机。详细介绍了相机的总体结构、光学系统、光机结构、成像电子学及热控设计结果，得到F5.6的RC+补偿组光学设计结果。采用RSA-6061微晶铝合金做为相机反射镜的结构材料，配合一体化硬铝合金高刚性结构。静力学（重力变形和温度变形）仿真分析结果满足光学设计公差要求。动力学仿真分析结果表明：一阶模态为302.92 Hz，具有足够高的动态刚度和安全裕度。成像电子学采用3.2 μm大面阵9 K×7 K探测器低噪声小型化设计。相机热控由卫星平台保证20 °C±4 °C的温度水平。集成测试结果表明：(1)相机中心视场波像差RMS为λ/15.6，5个视场系统波像差均优于λ/12.3，可以确保相机近衍射极限高质量成像。实测奈奎斯特频率处的光学传递函数为0.217；(2)相机三方向正弦振动最大处放大1.17倍，整机一阶模态为295 Hz，与仿真结果的偏差为2.61%，相机结构刚度大，力学稳定性好；1×10−4 Pa，16 °C、20 °C、24 °C三个温度工况下成像清晰，可分辨奈奎斯特频率处对应的分辨率板图像；(3)对2 km外目标成像效果良好，图像清晰且灰度层次分明，阴影边界锐利。本文所设计轻小型全铝高分相机在500 km轨道高度上实现了3.48 m分辨率，15 km×15 km幅宽，整机重量为2 kg，结构刚度和强度试验结果满足航天发射场景需要，可以为轻小型甚高分辨率空间相机设计提供理论指导和工程借鉴。
轻小型 高刚性 动态刚度 低噪声 lightweight and compact size high rigidity dynamic stiffness low noise 
Author Affiliations
Abstract
1 National Laboratory for Physical Sciences at Microscale and Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Shanghai 201315, China
2 QuantumCTek Corporation Limited, Hefei 230088, China
3 Shanghai Branch, CAS Center for Excellence and Synergetic Innovation Center in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China, Shanghai 201315, China
4 Department of Materials, University of Oxford, Oxford OX1 3PH, UK
We report a quantum key distribution (QKD) system that uses light-emitting-diodes (LEDs) at 1310 nm as optical sources. Compared to the normally used laser diodes (LDs), LEDs are easier to manufacture and integrate, and thus have the potential to reduce the costs of practical systems. To demonstrate the feasibility of a low-cost, integratable QKD system that aims at meeting the demand of the last-mile secure communication, we utilize LEDs at 1310 nm as the optical sources, while using only passive optical components and only one single photon detector at the receiver’s side. With a repetition rate of 10 MHz, we obtain secure key rates of 10.9 kbps within the experimental time of 1000 s over a fiber length of 1 km.
Photonics Research
2019, 7(10): 10001169
天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息科学技术教育部重点实验室, 天津 300072
为了提高分幅相机的像面一致性, 从分孔径和分振幅两种分幅方法的原理出发, 分析了物体辐射特性影响像面一致性的原因.基于光纤传像器件匀光作用, 提出了一种提高像面一致性的方法, 并以棱锥分孔径实现六分幅为例, 在LightTools软件中仿真了光纤面板厚度、纤芯直径、光线入射角度等参量对像面一致性的影响.结果表明, 当光束主光线在光纤前端的入射角在±15°内变化时, 增大光纤面板厚度或减小纤芯直径, 可使得六幅像面能量差小于0.3%.基于光纤传像器件的棱锥分幅结构, 可有效提高分幅相机的像面一致性.
光学设计 分幅相机 像面一致性 光纤传像器件 棱锥 棱镜 Optical design Framing camera Image consistency Fiber optics imaging Pyramid Prism
天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息工程系，天津 300072
为了准直并整形具有像散的激光二极管光束，采用高斯光束q参量变换规律，推导了利用柱面自聚焦透镜整形激光二极管光束应满足的条件，并在此基础上，通过软件模拟优化，得到了一套效果良好的光束整形准直系统。经过准直整形后光束快慢轴方向发散角基本相等，均小于0.7mrad，束腰位置差异小于2.8mm。结果表明，系统中柱面自聚焦透镜的应用起到了较好的效果，准直整形后的光束具有发散角较小且旋转对称等特点。
激光器 准直整形 柱面系统 自聚焦透镜 lasers collimation and shaping cylindrical system gradient-index lens
天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息工程系, 天津 300072
为了改善大功率半导体激光器快轴和慢轴两个方向光束质量极不均衡这一光束特性, 基于几何光学的折射原理, 经过理论分析和软件模拟实验设计了一套发射光学系统, 采用柱面镜改变快轴和慢轴的发散度, 使输出光束在子午方向上以窄视场发射, 在弧矢方向上覆盖±30°的视场, 并加入特殊结构的棱镜混光, 得到目标区域内能量分布均匀性大于75%的窄带状光束, 能量利用率达80%以上。结果表明, 单套发射系统可以完成工作距离15m以内的±30°视场探测, 6套发射系统构成360°视场完成周视探测。这一结果对于提高激光主动探测的精度和增大其使用范围是有帮助的。
激光器 几何光学 窄带状光束 柱面镜 棱镜 lasers geometrical optics narrow-band shaped beam cylindrical lens prism
天津大学 光电信息科学技术教育部重点实验室，天津 300072
使用衍射光栅的分色分光方式一般以平行光入射情况为讨论基础，对于非平行光入射的情况讨论较少.本文基于菲涅尔衍射理论和角谱理论，将球面波与平面波的衍射波场联系起来，从而在传播函数中引入角度参量，结合分数泰伯效应的理论基础，推导出双波长宽角度入射光线经相位光栅衍射后的波场分布函数，并对推导出的函数进行数值模拟，得到像面不同位置衍射波场分布.与平行光入射时的标准波场分布相比较，得到宽角度入射时的衍射波场的横向展宽量和偏移量.通过调节光栅台阶的宽度，改变衍射场的展宽和偏移，使各个单一波长的衍射波场宽度小于光栅周期的一半，从而减少双波长光衍射波场的混叠.同时本文给出波场宽度与光栅台阶宽度的变化关系，选取光栅面上多个位置作为台阶宽度的计算点，并对整个光栅的台阶宽度进行曲线拟合，得到可以使双波长宽角度入射光实现良好空间分离的光栅参量.该结果可用于各类宽角度入射光线的光谱分离场合，如双波长成像、液晶显示和液晶投影等.
衍射分光 宽角度入射 相位光栅 双波长 泰伯效应 Diffraction light split Wide-angle incidence Phase grating Dual wavelength Talbot effect
1 天津大学 光电信息科学技术教育部重点实验室， 天津300072
2 福建上润电子有限公司， 福建 福州350015
微细侧发光导光管可以将LED点光源转化成线光源。为了同时发挥LED光源和CCFL光源的优势，本文对导光管模型进行了改进，使不同长度导光管均能满足良好的出光性能。在网点公式基础上引入非线性修正参数α，并找到导光管长度与α的对应关系，得到不同长度导光管的优化网点排布形式。针对较短导光管光能利用率偏低的问题，采用导光管一端入光，另一端镀反射膜的方法，可显著提高光能利用率。模拟结果表明，该类导光管光能利用率达到63%以上，亮度均匀性达到93%以上，可应用于大中型尺寸的液晶背光模组中。
导光管 网点排布 光能利用率 均匀性 light pipe dots arrangement utilization ratio uniformity
1 天津大学 光电信息科学技术教育部重点实验室，天津 300072
2 北京凯尔科技发展有限公司，北京 100085
为了将激光多普勒测速技术应用于野外流体速度测量，设计了一种基于双光束模式的激光多普勒测速光学系统，采用光纤耦合半导体激光器作为光源，通过保偏光纤耦合器、保偏光纤准直器以及非球面透镜来实现激光的分束、准直与聚焦，形成干涉条纹，并利用接收透镜、针孔光阑以及雪崩光电二极管检测多普勒信号光。结果表明，所设计的光学系统的空间分辨率为0.046mm3，理论测量误差小于0.59%。系统体积小、装配方便、易携带，适合于野外流体速度测量。
激光技术 光学设计 激光多普勒效应 流体 laser technique optical design laser Doppler effect flow
天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息技术科学教育部重点实验室,天津 300072
提出了一种V-Cut槽结构的液晶导光板表面微结构设计方法,确定了V-Cut槽自身参数影响导光板性能的规律,通过大量的实验工作对不同的微结构设计方式进行了对比,确定了V-Cut槽的最佳排布方式即多项式排布方式。总结了多项式中各个参数所代表的含义,确定了V-Cut槽结构按照多项式方式进行设计的规律。经检验,此方法能够设计出光能利用率高、均匀性在80%以上的高性能导光板。
导光板 V-Cut槽 光能利用率 均匀性 液晶背光源 light guide plate V-Cut slot capacity usage ratio uniformity LCD backlighting system
