在获取网络及光纤区域网络上的模块与元器件的应用需要上存在这一定的差异，DWDM技术不是其中主要的发展方向和趋势。由于现阶段大多数的获取网和区域网距离高层次的发展程度上还有很大的距离，需要的一些传输频率普遍较低。比如，早已经确定出了现阶段非常热门的1Gb/s、OpticalEthernet标准，对于传输网络只能够单一频道的传输速率或者骨干的传输方式上，区域网络的传输方式上都已经能够很好的给予满足。
2光纤通信的被动元器件和模块技术分析
解多工器和DWDM光波长多工是光纤通信被动元器件和模块当中最为基本的器具所在，将一些不同的波长光分开到不同的光纤当中或是向着同一个光纤中合并，这就是解多工和多工两种形式。因为有较小的间距存在于DWDM频道之间，一般的时候会维持在100GHz或者50GHz。对于这种多工/解多工的任务，只有平头、陡裙、窄频的滤波器才能够予以胜任。可以对多种类型的技术进行使用，来将这种波长多工/解多工器制作出来，主要涵盖着阵列光波导元器件、传统绕射式光栅、光学镀膜、全光纤式元器件等。其中现阶段最为成熟的技术即为光学镀膜式的波长多工/解多工器。在光学镀膜式解多工器/波长多工中，光学镀膜式滤镜是关键的元器件之一。要将和要求相符合的DWDM滤镜制作出来，一定要确保有一百层存在于镀膜的层数当中，按照四分之一的波长来对每层的厚度进行确定，为了能够达到陡群和平头的要求，要对三个共振的空腔结构进行使用。并且最为重要的是要非常准确的确定出每层的厚度，需要有准确及时的厚度监控装置存在于制作当中。阵列式光波导元器件为制作DWDM波长多工/解多工器的第二种有效方式。在第一段结合处通过了入射光之后，由于绕射的作用，进而向着中间的阵列光波导中分布的入射，通过阵列光波导，光向着另一端中传导，不同变化率的线性相位改变会存在于不同频率的光中，在改变了这种线性相位之后，在第二段的结合处将会令不同频率的光在输出端的某一光波导中会重新的聚集。其中所谓的阵列天线就是其中的主要原理所在，在控制阵列波导的基础上，辐射光的方向对中盐阵列光波导的长度变化率和波导的间距能够适当的去选择，这样就会有定值的频道存在于频道的间距当中，这样在输出端的光波导阵列中就能够刚好聚焦入射进去，进而对DWDM多解工和多工的功能上能够很好的给予实现。全光纤式的元器件为第三种对DWDM解多工器/波多长工进行制作的方法，同时，又有两种大的种类存在于这类元器件中：串接光纤干涉仪式元器件和光纤光栅式元器件。在光纤的核心中，直接产生作用，对于一些周期性折射系数的光栅可以用UV光感器直接的感应出来，对布拉格绕射的作用上进行利用，能够将窄频发射式滤波器直接的制作出来。但是，由于是在一维光纤里面存在的一种反射式的滤波器，这样就很难分开入射光和其中的反射光，这样就需要对光纤干涉仪和旋光器的架构进行使用，不然光的损耗在其中就会非常的大。针对串接光纤干涉仪式的元器件，在对具有周期性穿透频谱的滤波器进行制作的过程中，对串接式光纤干涉仪进而就能够非常直接的进行使用，对光纤干涉仪两臂的长度借助适当的选择方式，对平头、陡群和窄频的要求上进而能够很好的给予完成。
3模块技术及光纤通信主动元器件
在模块和主动元器件方面，有这样几个重要的内容存在于具体的发展中：光传接模块技术、光放大器技术、选频激光、可调频激光、表面辐射激光技术等。光通信用激光光源的一种技术方式中就包括着表面辐射激光。因为存在着较短的共振箱，这样对单纵模的输出上就能够很好的给予完成，因此，窄频宽在其中是允许存在的；能够利用垂直的方式来发射输出光，因此对on-wafertest能够进行应用；因为存在着较为对称的辐射光模态，因此，向光纤中的耦合就能够非常容易的予以实现。因为存在这上述的一些特征，不管是构造的具体成本，还是元器件的在具体制程，和边射型激光比较起来都会非常的低。因此，造成边射型激光被用于短距离高速率的资料传输连接，被850nm的VESEL完全取代了。但是，现阶段还没有非常成熟的产品存在于长波长VESEL当中，因此，边射型激光还是该通信波段的核心所在。现阶段掺铒光纤放大器仍为光放大器的主要技术方式所在，可以是在L-band，也可以是在C-band上面，可以是拥有动态增益控制或者平坦化的复杂光放大器次系统。低成本是半导体光放大器的主要优点所在，但是，因为存在着较短的载子生命周期，因此，有着较大的非线性效应存在于其中，这样对很多波长不适合同时来进行放大。但是，在处理一些非线性信号的时候却非常的适用，集中3R技术就是其中的典型代表，就是将直接高速的信号直接的应用到光学层当中。Raman光放大器为另一种形式的放大器，这种类型的放大器就是对光纤的Raman效应进行合理使用，进而将放大的效果彰显出来，这样一个高功率的激发光源在其中是绝对不能缺少的。能够由激光发源的波长来决定光放大的波段，这是其中最为显著的优点所在，并且这种放大器有着分布式的特点，将光纤中的信号能够有效的降低下来，这样对传输信号时的非线性效应能够有效的降低下来，但是也有一定的不足之处，即为存在功率较高的激光发射源，并且还有较为昂贵的价格。
4结语
感光元件：1/6英寸，80万总像素CCD
变焦能力：34倍光学变焦，1200倍数码变焦
存储介质：内置4GB闪存
体积：60×62×121mm
重量：280g
价格：3910元
三星VP-MX10采用了扩展能力强大的双存储介质的设计，而小巧流线型的机身较以往的设计有较大的突破，更加时尚便携，握感十分舒适。VP-MX10的推出，无疑是DV市场“闪存风”的又一体现。
三洋XactiDMX-HD1000
感光元件：1/2.5英寸，400万总像素CMOS
变焦能力：10倍光学变焦
存储介质：内置8GB闪存
体积：112.6×90×54.5mm
重量：268g
价格：7800元
闪存高清是今年摄像机市场的一个热点，闪存让机身更小巧，高清则成就了画质的专业和精细。XactiDMX-HD1000集两者于一身，以机身外形和闪存容量上的优势给消费者带来全新的体验。
索尼DCR-SR200E
感光元件：1/3英寸，210万像素晶锐CMOS
变焦能力：10倍光学变焦，80倍数码变焦
存储介质：内置40GB硬盘/SD卡
尺寸：76×78×128mm
重量：460g
价格：6170元
松下SDR-H258GK
感光元件：1/6英寸，80万像素3CCD
变焦能力：10倍光学变焦，700倍数码变焦
存储介质：内置30GB硬盘/SD/SDHC卡
尺寸：83×75.8×121mm
重量：460g
价格：6000元
索尼DCR-SR200E
感光元件：1/3英寸，210万像素晶锐CMOS
变焦能力：10倍光学变焦，80倍数码变焦
存储介质：内置40GB硬盘/SD卡
尺寸：76×78×128mm
重量：460g
价格：6170元
JVCGZ-MG175AC
感光元件：1/6英寸，107万像素CCD
变焦能力：32倍光学变焦,800倍数码变焦
存储介质：内置40GB硬盘/SD/SDHC卡
尺寸：110×71×66mm
重量：330克
价格：4900元
索尼DCR-DVD608E
感光元件：1/6英寸，107万像素CCD
变焦能力：40倍光学变焦,2000倍数码变焦
存储介质：DVD光盘/记忆棒
尺寸：54.5×89×130.5mm
重量：390g
价格：3000元
索尼DCR-HC28E
感光元件：1/6英寸，80万像素CCD
变焦能力：20倍光学变焦，800倍数码变焦
存储介质：磁带
尺寸：65×79×113mm
重量：360g
价格：2060元
佳能DC230
感光元件：1/6英寸，107万像素CCD
变焦能力：35倍光学变焦,105/1000倍数码变焦
存储介质：miniSD卡,光盘
尺寸：54×90×126mm
重量：405g
价格：3720元
三星VP-DC575Wi
感光元件：1/5英寸，100万像素CCD
变焦能力:26倍光学变焦，1200倍数码变焦
存储介质：DVD光盘
尺寸：54×87×121mm
关键词[HTSS]光波导气敏元件；磷酸亚铁锂薄膜；掺钇磷酸亚铁锂薄膜；气敏性
1引言
自1997年将LiFePO4用于锂离子正极材料以来，对其合成技术、结构以及电化学性质的改性已进行了大量研究[1]。LiFePO4晶体为有序的橄榄石结构，包括4个单元，其中P―O共价键所形成的离域的三维立体化学键以及FeO6八面体结构，使其具有很好的热力学和动力学稳定性，其结构在高于400℃时仍保持稳定[1]，属于半导体材料。由于LiFePO4导电率和离子扩散率极低，通过减小颗粒尺寸、掺杂导电物质（如活性碳，Ag,Cu,Mn等）、制备薄膜电极等方法可提高体相的电导率，改善材料的扩散性能[2,3]。LiFePO4薄膜除在离子电池、燃料电池、锂离子传感器[1,4]等领域广泛应用外，在光学方面，特别是在薄膜光波导研究领域也有很高的应用价值。
钇（Y）为稀土元素,其化学性质非常活泼,所形成的化合物具有熔点高、热稳定性好、吸收能量的能力强、转换效率高以及良好的发光辐射性能等特点[5]，可发射紫外到红外的光谱,荧光寿命从纳秒到毫秒，跨越6个数量级,物理化学性能稳定[6]。
叶茂等[7]为了提高锂离子电池正极材料的电化学可逆性和高温性能、改善材料的循环性能，在锂离子电池正极材料LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2中掺杂钇。本研究组对LiFePO4薄膜的光学性质进行了初步研究[8]。有关LiFePO4纳米薄膜和钇掺杂LiFePO4的光学性能研究以及其在气体传感器的应用尚未见报道。
光波导化学传感器[9～11]由于具有机械强度大、抗电磁干扰、体积小、灵敏度高、响应快、可在常温下操作、便于集成等优点，在环境污染物检测、工业生产、化学、生物检测领域，特别是在检测有害气体（苯、甲苯、二甲苯、SO2、H2S和HCI）领域中占据了重要地位。
目前，用于制备LiFePO4薄膜正极材料的方法有电子束蒸发法（ESD）[12]、真空气相沉积法[13]、脉冲激光沉积法（PLD）[14]、恒电流法[15]、溶液浇铸法[16]和射频磁控溅射沉积法（RFmagnetronsputteringdeposition）等[17]。这些方法或需要昂贵的仪器，或（如恒电流法）容易受外界影响而波动,不易获得均匀的薄膜。浸渍提拉法工艺简单，成本低，制膜所需时间短，可以精确地控制薄膜厚度[18]，具有很广的发展前景。
本研究采用浸渍提拉法研制出LiFePO4及LiFe0.99Y0.01PO4薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件，并将其固定在自组装光波导传感元件测试系统中，测其气敏性。考察了掺钇对LiFePO4薄膜锡掺杂玻璃光波导传感元件气敏性的影响，利用薄膜吸附作用和被测物结构的关系，解释了此传感元件对二甲苯等挥发性有机气体的选择性机理。
2实验部分
2.1仪器与试剂
水热反应釜（郑州杜甫仪器厂）；410箱式电子炉（北京市永光明医疗仪器厂）；SGC1椭圆偏振测厚仪（天津港东科技有限公司）；JA103N精密天平（上海民桥精密科学仪器有限公司）；DHG9023A电热恒温鼓风干燥箱（上海科学仪器有限公司）；UV2450紫外分光光度计（日本岛津公司）；97OCRT型荧光分光光度计（上海精密科学仪器有限公司）；AYN1浸渍提拉机（自组装）；DPMax2400型X射线衍射仪（CuKα辐射,λ＝0.15418nm，日本理学公司）；OXFORD7353型电子能谱仪（英国）；光波导检测系统（自组装）；锡掺杂玻璃光波导玻璃片（76mm×26mm×1mm，江苏世泰实验器材有限公司）。
FeSO4•7H2O,LiOH•H2O,H3PO4,Vc,YNO3•6H2O,PVA,均为国产分析纯试剂。
2.2LiFePO4及LiFe0.99Y0.01PO4粉末的制备
LiFePO4粉末：FeSO4•7H2O，H3PO4及LiOH•H2O按1∶1∶3的摩尔比混合，将混合物移到水热反应釜中，在150℃下保温反应15h。自然冷却后，收集反应釜中的固体粉末，经多次洗涤过滤后,在120℃下真空干燥1h[12]，并进行表征。
LiFe0.99Y0.01PO4粉末：FeSO4•7H2O，H3PO4及LiOH•H2O按1∶1∶3的摩尔比混合[12]，依次加入抗坏血酸（0.1g）和硝酸钇（按1（Y）∶99（LiFePO4））[4]，将混合物移到水热反应釜中，其它条件同上。
2.3LiFePO4及LiFe0.99Y0.01PO4薄膜的制备
LiFePO4薄膜的制备：称取合成出来的LiFePO4粉体，置于混合酸（5%H3PO410%Vc（1∶4,V/V）溶解，加入少量表面活性剂（十二烷基苯磺酸钠）混合均匀，采用浸渍提拉机将溶液涂在锡掺杂玻璃光波导表面。薄膜在室温下自然晾干后，在150和450℃下进行热处理，浸渍提拉速度为10cm/min。用SGCI型椭圆偏振仪测量薄膜厚度。
LiFe0.99Y0.01PO4薄膜的制备：称取LiFe0.99Y0.01PO4粉体，置于5%Vc1.1%H3PO4混合酸中溶解，加入少量聚乙烯醇（1%）和表面活性剂（十二烷基苯磺酸钠）混合均匀，其它条件同上。
2.4气体的检测
取微量被测挥发性有机物液体（分析纯）注入标准体积的容器中自然蒸发，待完全蒸发后，用对应的气体检测管确认其浓度。
光波导传感元件测试系统同文献［11］，由载气、流量计、光源、反射镜、流动池、光波导气敏元件、光电倍增管和记录仪等部分组成。当入射光的角度满足特殊的入射条件，光在导波层的上下界面之间发生全反射而传播（光就会被约束在导波层中）。在传播过程中渗透到薄膜层和基板的交界面的光波称为倏逝波（消逝波）。光波导传感元件基于倏逝波原理，当敏感层（敏感膜）与被测气体作用时，由于敏感层对被测气体的吸收而导致敏感膜光学性质的变化，最终导致输出光强度变化。输出的光信号被光电倍增管检测并转换成电信号，记录光强度随时间的变化数据。整个过程在室温下进行。
3结果与讨论
图1为用水热法合成出的LiFePO4及LiFe0.99Y0.01PO4粉体X射线衍射谱图。样品X射线衍射谱中各衍射峰的位置和相对强度与标准谱[20]（JCPDSnos.401,499LiFePO4）完全一致。掺杂Y后的样品X射线衍射谱中没有生成新峰,表明少量Y的掺杂未改变LiFePO4的基本晶体结构特征,掺杂后的LiFe0.99Y0.01PO4依然保持着LiFePO4的橄榄石结构，但（121）峰（2θ＝30°）、（111）峰（2θ＝25°）和（131）峰（2θ＝35°）的强度有所减弱。
3.2薄膜光波导传感元件对不同的挥发性有机物的选择性响应
对于相同条件下制备出的薄膜，在450℃下进行热处理的LiFePO4及
[TS（][HT5”SS]图3LiFePO4及LiFe0.99Y0.01PO4薄膜光波导传感元件对相同浓度（1×10－3）不同的挥发性有机气体的选择性响应
Fig．3SelectivityofLiFePO4andLiFe0.99Y0.01PO4film
opticalwaveguide(OWG)[TS）]
LiFe0.99Y0.01PO4敏感膜厚度均为30nm；在150℃下进行热处理的LiFe0.99Y0.01PO4敏感膜厚度则为100nm。将这些薄膜光波导传感元件固定在光波导测试系统中，对相同浓度不同的挥发性有机气体进行检测（图3），这些传感元件对二甲苯有较大的响应，其次是甲苯、氯苯、苯气体，而对丙酮、甲醇、乙醇和甲醛气体的响应很小。
对于苯系物（苯、甲苯、二甲苯和氯苯）而言，它们分子中都有共轭π键体系，是给电子气体。因光致吸附效应，这些给电子气体（还原性气体）易被半导体材料薄膜吸附[21]。另外，二甲苯分子中比苯、[TS（][HT5”SS]图4薄膜/锡掺杂玻璃光波导元件相对灵敏度厚度理论关系图（λ＝670nm）
Fig．4Resultsoftheoreticalcalculationofrelativesensitivity（λ＝670nm）
[TS）]甲苯分子分别多了2个或1个甲基（给电子基团），故敏感元件对二甲苯有大的响应，其次是甲苯。而丙酮、甲醛分子中有吸电子基团，所以，此传感元件对丙酮、甲醛的响应较小。
掺Y后，当薄膜热处理温度高时，传感元件对二甲苯、甲苯和苯的响应有所增大，而对丙酮、甲醇、乙醇及甲醛的响应几乎没有改变；薄膜热处理温度低时，传感元件对各个挥发性有机气体的响应则都增大。通过理论计算（图4）可知，在λ＝670nm条件下,LiFePO4薄膜厚度为100～110nm时，LiFePO4薄膜/锡掺杂玻璃光波导元件的灵敏度达到最高值。对于相同条件下制备的薄膜，在150℃下进行热处理的LiFe0.99Y0.01PO4敏感膜厚度符合这个厚度范围，故此薄膜元件对挥发性有机气体具有较大的响应。综上可知，掺Y后，传感元件的气敏性增强。
3.3掺杂Y对该薄膜光学性质的影响及传感原理
掺钇前后的LiFePO4薄膜透光率变化见图5，掺钇前，LiFePO4薄膜在500～800nm范围内的透光率为86%～93%；掺杂钇后，其透射率增大到99.3%。当LiFe0.99Y0.01PO4薄膜暴露二甲苯气体后其透光率增大到99.8%。
在650nm光激发下，考察LiFePO4及LiFe0.99Y0.01PO4薄膜暴露二甲苯气体前后的荧光发射的变化（图6），LiFePO4薄膜在661nm处有一弱的荧光发射峰，相对强度为80a.u；掺杂钇后，荧光发射显著增强，相对强度为475.5a.u。当LiFe0.99Y0.01PO4薄膜暴露二甲苯气体时，其发射峰的相对强度提高到582a.u。
在光波导传感元件中，敏感膜光学性质的微小变化都会引起输出光强度的很大变化。薄膜透光率增大，其折射率会降低；如果薄膜折射率变小，渗透到薄膜里面的倏逝波高度变小；说明光传播损失少，从而引起（在光波导测试系统中）输出光强度增大[22]。
将LiFe0.99Y0.01PO4薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件固定在光波导气体检测系统进行检测的过程中，当空气流入到测试体系的流动池内时，输出光强度不发生变化；当一定浓度的二甲苯气体随载气流进流动池时，因敏感薄膜透光率变大（图6），从而使输出光强度增大。二甲苯气体脱离薄膜表面时，输出光强度也随之恢复到原来的强度。
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InfluenceofYttriumDopingonLithiumIronPhosphateThin
FilmOpticalWaveguide′sGasSensingProperties
PatimaNIZHAMUDIN,AbulizYIMIT*,MihrigulMOMIN,WANGJiDe
（KeyLaboratoryofOil&GasFineChemicals,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046）
AbstractLiFePO4andYttriumdopedLiFePO4powdersweresynthesizedusinghydrothermalmethodandthenusedassensingmaterials.LiFePO4filmandLiFe0.99Y0.01PO4thinfilmwerecoatedontothesurfaceofTindiffusedglassOpticalWaveguide（OWG）bydipcoater.ThesethinfilmsofOWGswereusedtodetectvolatileorganiccompoundsgasandthegassensingpropertieswerecompared.Inresult,afterYdoped,thefluorescenceandtransmittanceintensitiesofLiFePO4thinfilmwereincreased.TheLiFe0.99Y0.01PO4Film/TindiffusedGlassOpticalWaveguidesensorexhibitedahighsensitivitytoxylenegas,itsdetectionrangewas1×10－3－1×10－7（V/V）.Atlowconcentration（lowthan10－6）,othersubstancescausednointerferencewiththedetectionofxylenevapor.Thesensoralsohadtheadvantagesofhighsensitivity,shortresponsetime,andgoodrepetitivecapacity.
关键词：光控元件门控系统智能锁
中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0062-03
门禁的安全性是日常生活中人们最关心的话题，使用安全性能高的门锁是门禁安全的保障。数字电子技术和微处理器（单片机系统）的相结合使得电子密码锁成为新时代门禁系统的“新宠”。密码锁的键盘部分通常采用数字键盘系统构成。这种键盘系统的特点是直观、简单，用户只需要记住数字构成的密码，就可以开启房门。但这种由0～9构成的数字密码一般都设计为4为数字密码，很容易被破解，安全性也随着降低。随着光电技术的日益发展，利用半导体的光电效应和光生伏特效应制成的光电元件[1]以其快速、测量精确、无接触、测量距离远的特点在生活中的应用越来越广泛。本设计利用光电元件的特点，将光电元件构成的键盘系统代替电子密码锁的数字键盘系统，结合单片机控制系统，设计出新型的智能密码锁，从而提高了门禁系统的安全性。
1整体设计
由光控元件（光电传感器）构成智能锁的键盘部分，LCD屏显示开锁过程中出现的状况，AT89C52单片机实现整个系统的功能，用电磁锁替换传统的机械锁。光控元件将手势的“触摸”信号传递给单片机，通过单片机判断信号的正确与否启动电磁锁的开启与否。
设计的智能锁可以实现的功能有。
（1）在输入密码时在LCD屏幕上显示*号；
（2）设计开锁密码为特定手势；
（3）能够LCD显示在手势正确时显示PASSWORDOK，手势错误时显示PASSWORDERROR，输入手势时显示INPUTPASSWORD；
（4）实现输入手势错误超过限定的三次密码，键盘“锁死”，发报警信号；
（5）该产品具备报警功能，当输入密码错误时蜂鸣器响并且LED灯亮；
（6）密码可以由用户自己修改设定（只支持6位密码），修改密码之前必须再次输入密码，在输入新密码时候需要二次确认，以防止误操作。
设计的智能锁系统图如图1所示。
2单元电路的设计与特点
2.1光控元件构成的键盘电路
基于光电元件构成的键盘系统，其核心元件是光敏元件构成的光电传感器。光电传感器的特点是[2]：结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等。设计中采用小型光电传感模块构成3×3键盘系统，单个模块电路如图2所示。
该模块的特点是对光线的适应能力强，通过电位器可以调节手指接触键盘的距离（可调距离为2～30cm），干扰小，便于安装，使用方便。在设计时，将手指与键盘之间的距离统一调节为10cm，可避免因距离问题，使非正确信号（开门信号）传递给控制系统，从而使错误信号启动了门锁的报警系统。
2.2继电器驱动电路设计
门锁的“锁”部分由电磁锁构成，设计中采用SRD-05VDC-SL-C型继电器驱动电磁锁“开锁”。由于采用了光控元件，电磁锁的电源电压相对较小，一般采用5V即可。设计的继电器驱动电路如图3所示。
3门控系统设计
门锁的核心系统是门控系统，该系统由AT89C52单片机最小系统构成[3]，利用AT89C52单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的智能锁功能，其程序流程图如图4所示。
系统的I/O口分配如表1所示。
4系统调试
首先应用Proteus软件进行系统仿真[4]，系统图如图4所示。仿真过程中，先给一个启动锁的手势信号（相当于机械锁的插入钥匙状态），LCD屏显示“*”信息，再给定正确的开锁手势信号，显示屏显示“PASSWORDOK”。连接实物进行软件系统与硬件系统联调时，给定正确手势信号，听见继电器动作声音，却不见电磁锁动作（开锁）。在初步设计中，电磁锁与继电器构成的输出电路中采用的电源电压过大，导致继电器线圈烧坏，因此出现继电器一次侧吸合动作，二次侧电磁锁不动作。调整了外接电源后，电磁锁顺利动作，达到设计要求。
在仿真过程中为方便运行和系统图布局，用3*3阵列按键代替了光电传感器模块构成的按键系统，实际系统搭建时键盘系统是由光电模块构成，仿真的结果和实物调试结果一致。
5结语
该文介绍了一项大学生创新创业训练项目――智能锁的设计方案，阐述了整个设计流程，在此基础上进行了设计仿真和实物制作调试。基于光控元件的智能锁的设计，结构简单、使用便捷、安全性能高，具有良好的实用性。
参考文献
[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2]张洪润.传感技术与应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.
关键词：成像光谱仪长焦距梯度折射率宽光谱
中图分类号：TH743文献标识码：A文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0001-04
成像光谱仪是在光谱遥感的基础上，逐步发展起来的一种新的遥感仪器[1]，可以同时获得目标的空间信息与光谱信息，在军事领域与民用领域都具有重要的应用。其前置望远系统承担着对目标景物成像的重要作用，是仪器收集光能量和信息数据的重要组成部分。随着成像光谱仪的发展，对前置望远成像系统的要求也越来越高[2]。
梯度折射率透镜由于其介质折射率呈特殊规律变化而具有均匀介质透镜所不具备的光学特性[3]。将梯度折射率透镜运用于成像光谱仪的前置望远成像系统中，既可以提高系统的像质，增大系统的视场，同时简化了系统，使光学系统更加轻量化。
1光学系统设计过程
由实际使用要求，结合公式计算，确定光学系统设计指标如下。
（1）目标位于无穷远处；
（2）光谱范围：0.4～1.0μm；
（3）通光口径：D135mm；
（4）焦距：=700mm；
（5）全视场角：1.6°；
（6）像元尺寸：CCD的单个像元尺寸为。
1.1光学系统设计方案讨论
由设计指标可知，系统具有焦距较长，光谱范围较长，视场较小的特点。
反射式光学系统具有光谱范围宽、摄远比小、结构简单[4]、材料制备较为简单、温度稳定性好等特点，但反射系统亦有视场角小、校正单色像差较为困难的缺点。
折反式系统是将反射结构与折射元件相结合的系统，兼备了许多反射与折射式光学系统的优点。在反射系统中加入透射结构，可以有效地校正轴外像差，增大系统的视场角；同时由于反射结构的存在，减小了系统的尺寸，若采用后校正式结构，还可以减小透镜的口径，使透镜节省了材料，减少温度变化引起的影响。
综上所述，设计采用共轴折反式结构较为合理。将折射结构置于反射结构后，可使折射元件口径更小，节省材料、易于加工装调，且可以降低光机结构设计的设计难度。其中，反射部分采用R-C反射式结构，主要承担系统光焦度；折射部分起校正残余像差、提高系统像质的作用。
1.2光学系统初始结构确定
光学系统原理如图1所示。
图中、分别表示系统主镜和次镜的通光口径，表示次镜到其物点的距离，表示次镜到其像点的距离，表示主镜与次镜之间距离，表示主镜到系统焦点的距离，表示主镜的焦距。
系统的遮拦比α与次镜放大倍率β定义为：
其中为主镜的半径。
由各参数的相对位置关系与几何光学计算公式，可以得到主、次面半径关系：
R-C光学系统主要考虑球差、慧差的校正。根据像差理论，光学系统三级像差可表示为：
其中、分别为、非球面二次曲面系数。
令==0，得：
由此可确定系统的初始非球面二次曲面系数。
由上述论述，结合光学理论分析与参数的几何位置关系，将各个参数计算公式整理如下：
由系统焦距mm，口径直径mm，综合考虑系统摄远比、主次镜遮拦比以及镜面加工难度等几个方面因素，取主镜焦距mm，mm，由上述公式（5）～（11），即可求得光学系统的基本结构参数。
1.3梯度折射率透镜设计
将计算出的数据键入光学设计软件建模调整，设计使用Zemax光学设计软件，调整后系统结构、像质如图2所示。
系统点列图基本达到技术指标要求，但MTF曲线随视场增大下降较为明显，且折射部分的双胶合透镜厚度不符合要求，半径相对于厚度也比较大，不利于加工。系统整体评价不符合设计要求。以此结构为基础，将系统折射部分的部分透镜替换为梯度元件。
梯度折射率透镜介质的折射率是按某种规律变化的，正因为这样特性，使得梯度元件加入光学系统可以有效地简化结构，并进一步提高系统的成像质量。该次设计采用轴向梯度折射率材料，其介质的折射率只沿轴向连续变化[5]，方程可表示为：
（12）
具体设计时，根据所需替换均匀介质透镜的结构参数与低阶像差校正要求，结合像差理论，计算所需轴向梯度透镜的结构参数与折射率分布曲线方程（12）的低阶系数，进而确定透镜的具体结构。最后结合光学设计软件进行优化，确定光学系统的最终结构。
2光学系统设计结果及像质评价
经优化，设计出=700mm、135mm、1.6°，光谱范围0.4～1.0μm的成像光谱仪前置望远系统，其光学系统参数如表1所示。
系统由主、次镜反射面和两个折射透镜组成，其中第一块透镜为轴向梯度折射率透镜。整个系统结构简单，系统总长244mm，达到光学系统设计要求。其光学系统结构如图3所示：
光学系统MTF曲线图如图4所示。
由所选探测器像元尺寸10μm（H）×10μm（V）尺寸，可知光学系统截止频率：每毫米线对数，其中为探测器像元尺寸。由图4可知，MTF曲线在系统截止频率处均大于0.57，成像质量良好。
光学系统点列图如5所示。
由光学系统指标要求，在设计过程中，需要保证像面像点大小接近艾里斑半径。艾里斑半径由下式[6]得出：
（13）
代入公式中已知条件，经计算可得艾里斑半径为得：
μm
由图5可知，系统在0°、0.32°、0.56°、0.72°、0.8°视场均方根半径均小于系统艾里斑半径4.43μm，达到光学系统像质要求。
光学系统能量圆如图6所示。
系统在10μm处大于0.88，即88%以上的能量集中在10μm内，达到光学系统设计要求。
3结语
该文完成了焦距为700mm、通光口径为135mm、视场为1.6°、光谱范围0.4～1.0μm的长焦距、宽光谱望远物镜光学系统设计，系统总长244mm，成像质量良好，达到成像光谱仪的前置望远成像系统的技术指标要求。
光学系统的反射部分采用共轴折反式R-C结构，折射结构被置于反射结构后，使折射元件口径更小，节省材料、更易于加工装调。
将轴向梯度折射率透镜加入光学系统中，替换了原有不利于加工的元件，不但简化了系统的结构，同时提高了系统的成像质量。
参考文献
[1]郑玉权.超光谱成像仪的精细光谱定标[J].光学精密工程，2010（11）：2347-2354.
[2]裴梓任，黄元申，倪争技.Offner双镜三反射成像光谱仪分辨率的研究[J].光学仪器，2014（2）：147-151.
[3]乔亚天.梯度折射率光学[M].北京：科学出版社，1991：1-9.
[4]李欢，周峰.成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计[J].航天返回与遥感，2012（2）：28-33.