全息曝光系统轴向调节误差对光栅衍射波像差的影响

光栅衍射波像差作为全息光栅重要的技术指标之一,直接影响光栅分辨率,其中曝光光学系统的调节误差是引起光栅衍射波像差的主要因素。采用q参数讨论了高斯光束在光栅曝光光学系统中的传播和变换,通过计算高斯光束经准直系统后的相位给出了叠栅条纹相位分布的解析表达式,由此系统分析了曝光系统调节误差与光栅衍射波像差的关系。理论分析结果表明:左右曝光光路准直系统的相对离焦对光栅衍射波像差的影响最为显著;相对离焦量相同时,光栅衍射波像差随曝光系统焦距的减小而逐渐增大;理论模拟的条纹分布与实验中获得的叠栅条纹能够很好吻合。     

基于相位差异法的简易光学系统的图像复原方法

简易光学系统因系统结构简单而存在严重像差,导致所成图像出现模糊、失真等问题.对简易光学系统的成像特性进行分析,在已知光学系统焦距和光瞳孔径的条件下,建立含有像差的点扩散函数模型和图像复原模型,根据焦面和离焦面图像以及精确的离焦量,无需点扩散函数的先验信息,采用相位差异法对简易光学系统所成图像进行重构.实验结果表明:单透镜、双透镜和三透镜系统复原图像质量评价指标提升率分别达到24.96%、24.80%和42.04%,重构后图像质量均有明显提升.     

60微弧度激光发射天线模拟设计及测试

为了实现远距离激光能量传输,根据光学相差理论和优化的组合透镜设计,着重研究了影响激光发射天线发射的激光光束随望远光学系统离焦量的变化规律和初步的实验测试.实验中利用三级像差理论消除激光天线系统像差对离焦量控制精度的影响,在不同的距离,实现了远场激光光斑的测量.采用高斯曲线拟合法,消除CCD探测器的饱和影响,提高了远场激...     

基于波像差判据的同步相移显微干涉检焦方法

为了实时准确地将激光直写系统中经直写物镜聚焦的光斑定位于待加工元件表面,提出了一种基于波像差判据的同步相移显微干涉检焦方法,实现了对离焦量的实时检测与调整。在直写系统中引入检焦光路,与直写光路共享同一物镜,构建Linnik型同步相移显微干涉检焦系统,提取包含离焦量的波面相位信息;再从大数值孔径（NA）的物镜波像差数据中解析出离焦量的大小与方向。仿真结果验证了基于波像差判据的离焦计算方法的正确性,NA≥0.5时,离焦探测灵敏度可达4 nm, 通过实验验证了同步相移显微干涉检焦方法的可行性,检焦精度可达10 nm以内,满足激光直写高精度的测量要求。     

空间超光谱成像仪前置光学系统的热光学特性(英文)

分析了空间超光谱成像仪前置光学系统的热光学特性。应用有限元方法建立了模拟前置光学系统的热弹性变形模型,并进行了热弹性分析计算;用Zernike多项式拟合分析结果,求得各镜子反射面在热变形后的面型误差和相对于初始理想位置的偏移;利用光学分析设计软件Code V计算得到光学系统的像面与焦面的偏离量,即离焦量,并用多项式拟合得到其随温度变化的规律。计算结果表明,前置光学系统的像面在温度改变时会偏离焦面,离焦量与温度近似地成线性关系,当温度升高时像面最大偏移量为107.4μm,温度降低时像面最大偏移量为106.9μm。该分析结果可作为指导超光谱成像仪改进热控措施,进行调焦补偿的理论参考。     

航空光电成像系统像移补偿技术研究

航空光电成像系统由于像移的存在导致成像分辨率下降,严重影响航空光电系统的整机性能。采用像移补偿技术可以提高航空光电系统成像质量。分析了移动探测器像移补偿技术原理与运动光学元件像移补偿技术原理,重点研究了基于快调反射镜(FSM)的高精度像移补偿技术。通过工程简化分析,分别推导了快调反射镜位于平行光路和会聚光路的像移补偿随动角度规律,并针对会聚光路中快调反射镜带来的离焦量进行分析,讨论了离焦量对光学系统波像差的影响。仿真结果表明,随着离焦量的增加,波像差呈线性增大趋势。通过分析光学系统波像差对其光学调制传递函数（MTF）的影响,结果表明F数等于8,在奈奎斯特频率处,当离焦量在0.1 mm以内,光学调制传递函数MTF的下降量在26.6%以内。     

大孔径大靶面昼夜型监控镜头光学系统设计

为了满足交通监控对图像质量不断提高的要求,设计了一款大孔径、大靶面、昼夜型光学系统。采用近对称结构,调整第一组元结构参数,平衡昼夜共焦面的设计思路,较好地控制了垂轴像差和离焦量,实现了大孔径、大靶面、昼夜型光学系统的设计要求。成像系统对可见光和近红外波长0.79 m进行了双重组结构优化设计,实现了日夜离焦量小于0.005 mm,在空间频率为130 lp/mm时,全视场MTF＞0.3。对该光学系统进行容差分析和讨论,提出把控元件偏心公差可有效抑制由于生产制造使得实际成像和理论成像偏差过大等问题。     

含有双层衍射光学元件的中波/长波消热差光学系统的设计（英文）

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在(3.7～4.8)μm和(7.7～9.5)μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为200 mm,F#为2。采用像元数为320×256、间距为30μm的制冷型探测器。该系统在空间频率17 lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.66和0.54;最大RMS半径小于11.702μm;波前像差小于0.191 7λ;最大离焦量小于焦深;在-55℃～71℃范围内实现了无热化设计。入射到衍射面上的角度为0°～5.19°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为99.81%和97.36%。含有双层衍射光学元件的红外双波段光学系统结构简单,像质优良,可以广泛应用于军事探测系统中。     

含有双层衍射光学元件的中波/长波消热差光学系统的设计

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在(3.7~4.8) μm和(7.7~9.5) μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为200 mm,F#为2。采用像元数为320×256、间距为30 μm的制冷型探测器。该系统在空间频率17 lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.66和0.54;最大RMS半径小于11.702 μm;波前像差小于0.191 7λ;最大离焦量小于焦深;在-55℃~71℃范围内实现了无热化设计。入射到衍射面上的角度为0°~5.19°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为99.81%和97.36%。含有双层衍射光学元件的红外双波段光学系统结构简单,像质优良,可以广泛应用于军事探测系统中。     

高数值孔径系统多重初级像差对高斯光束的影响（英文）

为了揭示高数值孔径光学系统在多重初级像差共同作用时受到的影响,基于衍射理论,研究了多重初级像差,特别是彗差、象散和球差对汇聚高斯光束的影响效果.通过数值模拟计算,获得了在彗差、象散和球差共同作用下,汇聚高斯光束在焦平面处光斑的光强分布,发现多重像差对聚焦光斑的影响并非各单像差影响效果的简单叠加.通过对高数值孔径光学系统激光焦斑的实际测量,发现其光强分布特点与数值模拟结果具有高度的一致性.研究结果对于评估与分析实际的光学系统具有一定的指导意义.     

非共轴光学系统传递函数计算

用坐标变换计算非共轴光学系统是十分有效的。本文讨论了非共轴光学系统传递函数(OTF)的计算要点,并给出了平行光束传递函数的计算方法。计算了一个无焦系统的波动光学传递函数。     

像散离焦检测系统中光斑能量中心偏移对测量精度的影响

通过推导高斯光条件下像散离焦检测系统中离焦量与聚焦误差信号功率之间的关系,分析了激光光斑能量中心相对四象限探测器几何中心的偏移距离和偏移角对离焦量测量精度的影响及其规律。在此基础上,提出了一种易于实现、能够精确定位四象限探测器的实验方法,该方法能够有效地提升系统抗干扰能力和探测精度,减小系统误差,加强系统稳定性。此过程对设计搭建高精度像散离焦检测系统具有重要的指导意义。     

由Strehl比判断光学系统实际分辨能力

提出了一个根据Ｓｔｒｅｈｌ 比评价光学系统实际分辨能力的近似方法。用高斯分布函数逼近点光源在光学系统焦面上的像斑光强分布,根据瑞利判据,导出了光学系统分辨能力与Ｓｔｒｅｈｌ 比的关系方程。它可根据系统的Ｓｔｒｅｈｌ 比来判定像面上的两个像斑能否分辨开来。     

弱散射屏的像面散斑自相关函数特性的实验研究

在对随机弱散射屏进行表面参数的原子力显微镜测量和建立了门积分取样平均的随机光强自相关函数测量系统的基础上,对弱散射屏在严格像面和离焦像面上产生的散斑自相关函数进行了测量。发现在严格像面上,散斑平均颗粒的大小随表面粗糙度增加而减小,且光强自相关函数次极大的相关间隔宽度随粗糙度增加而减小;而次极大的超伏随粗糙度的增大而增大;在离焦像面上,离焦量的增加使光强的自相关函数下降变得平滑,并使极小值点和次极大点变得不明显或者消失。     

一种新型人眼波前像差测量补偿系统的研究

离焦是人眼中最主要的像差之一,离焦量过大会严重影响人眼波前像差的测量及矫正精度。为了消除离焦在此方面带来的影响,设计了带有补偿装置的人眼波前像差测量及矫正系统。重点分析了该系统的原理、结构和工作流程。运用Hartmann-Shack波前传感器测量了人眼波前像差,并使用变形反射镜对人眼波前像差进行矫正。对模拟人眼矫正离焦前后的光斑点阵图和波前三维重构图进行了对比分析。研究表明,通过离焦补偿系统对模拟人眼的离焦量进行矫正,使被测量人眼的离焦量由2.020D和-2.035D分别减小到0.011D和-0.007D;通过调焦系统,使显示器上显示出的人眼光斑点阵图由模糊变清晰,提高了信标光在人眼眼底的成像质量。     

相位差法波前传感系统自身误差的分析及消除方法

 针对附加像差为离焦的情况,对焦面位置误差、离焦量误差、图像对准误差以及图像噪声等因素带来的波前传感误差进行了数值模拟,并给出了确定焦面位置、对准焦面图像和离焦面图像、精确计算分光比、确定离焦量以及处理图像噪声的方法。使得传感结果的均方根误差分别由0.088 8λ,0.059 0λ,0.128 4λ,4.170 6λ,0.152 6λ降为0.002 1λ,0.002 1λ,0.002 1λ,0.002 1λ,0.029 2λ。结果表明:这些方法可以有效地减小传感误差,大大提高了传感精度,为相位差法的实际应用提供了重要的技术支持。     

离焦量和非单色光对二元相位光栅泰伯像的影响

利用平面波衍射的角谱理论,分析计算了二元相位光栅衍射光场的空间分布,特别讨论了离焦量和非单色光对泰伯像的影响.随离焦量和带宽的增加,泰伯像的对比度和衍射效率减小,而压缩比增加.计算结果指出,在带宽<1000或离焦量<0.01时,其对比度和衍射效率减小不到10%,仍能成较高质量的泰伯像;当带宽>5000或离焦量>0.1时,成像质量显著下降.用薄膜沉积法制作了二元相位光栅,实验验证了理论结果.这些结果对泰伯成像和阵列照明器的设计有重要的参考价值.     

轴锥镜成像系统的点扩散函数分析

为了使大景深光学镜头在工业视觉检测中的测量结果更准确,必须对中间图像进行复原,点扩散函数是图像复原的关键。根据轴锥镜最大无衍射距离公式设计了无衍射成像系统,以标量衍射理论为基础,在频域范围内利用稳定相法推导出系统的点扩散函数公式。利用准单色光理论,分析非相干光照明下的点扩散函数与锥镜夹角和离焦量的关系。仿真和实验结果表明:轴锥镜夹角越大,点扩散函数中心光强越强,衍射条纹越密;离焦像差对点扩散函数的影响与之相反。     

离焦写入线宽的动态高斯模型

为提高集成光学器件中的多线宽制作效率,提出了基于激光直接写入技术的离焦加工模式,即加工时激光束的聚焦点不落在胶层表面而是在其前方或后方;同时还建立了基于多个加工参量的线宽数学模型。此线宽模型首先假定激光束经物镜变换后,在像方任意离焦面上的能量仍保持高斯分布,其次还考虑了光束动态扫描引起的光斑线度对曝光能量分布的影响,故称其为动态高斯模型。此线宽模型涉及光功率、基片离焦量、光束扫描速度、胶层曝光能量阈值等加工参量。对线宽模型的验证在自行研发的极坐标型激光图形发生器上进行,实验表明:相对于不考虑光斑运动的静态高斯模型,动态高斯模型更为符合实验结果。     

一种可用于人眼像差哈特曼-夏克测量仪的自动离焦补偿方法

针对目前人眼像差哈特曼-夏克测量仪不能自动补偿人眼离焦的不足,通过分析不同调焦状态下连续采集的哈特曼-夏克光斑图像序列,构造了离焦补偿评价函数,在现有像差测量仪平台上实现了人眼像差自动离焦补偿。算法根据调焦过程中哈特曼-夏克光斑的形态变化,定义了通过光斑图像评估离焦补偿结果的评价标准,并依据评价函数确定最佳光斑图像对应的离焦补偿量,从而确保哈特曼-夏克波前传感器能准确测得离焦补偿后剩余的人眼像差。实验结果表明,本方法对杂散光噪声具有较强的稳健性,可以准确实现调焦系统的自动离焦补偿,为后续像差测量仪精密测量人眼高阶像差提供了十分重要的方法。