双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计

提出了双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计方法.将使用波段一分为二,由两个使用结构相同的平场全息凹面光栅分别进行光谱成像以达到提高光谱分辨率的目的.根据全息凹面光栅像差理论,对光栅的使用结构和两光栅各自的制作结构进行优化求解以校正离焦、像散、彗差和球差等各种像差.据此原理设计了工作波段为200~800 nm、探测器长...     

光谱仪中球面聚焦反射镜和凹面全息光栅像差互补的一体化设计

为了兼顾光源聚焦镜引入的像差对光谱仪器分辨率和信噪比的影响,提出了消像差凹面全息光栅和聚焦反射镜一体化设计方法。建立了包含聚焦镜和凹面全息光栅的像差分析物理模型,推导了像差系数表达式,构造了像差校正目标函数,经优化得到设计结果。在一体化设计中,针对臂长为170.3mm、基底曲率半径为170.2mm的单色仪光栅,通过反向增大全息光栅像散项,补偿聚焦镜引入的轴外像差。与传统设计方法相比,该方法的像面点列图的均方根尺寸在子午方向由86μm减小到81μm,弧矢方向由765μm减小到167μm,提高了系统的消像差能力,为凹面光栅光谱仪器的光学系统设计提供了新的思路。     

改进型Czerny-Turner成像光谱仪光学系统设计方法

像散是目前影响Czerny-Turner结构成像光谱仪空间分辨率最大的像差。首先引入柱面反射镜,利用光焦度衡量像散大小,推导出易于计算的像散校正公式,有效地校正了像散。给出准直镜到光栅距离的计算方法,有效校正了成像光谱仪边缘视场像差。给出了成像光谱仪像面倾角的计算方法,实现了宽波段的像差校正。最终利用上述方法设计了一套用于115～200nm的改进型Czerny-Turner成像光谱仪,焦距f′=48mm,F数为5.0,全视场、全波段调制传递函数(MTF)在0.7以上。全波段光谱分辨率为0.22nm,像面大小为8mm×7mm。设计方法适用于多种结构要求的成像光谱仪。     

星载宽波段远紫外高光谱成像仪光学系统设计

根据高层大气遥感的应用要求,设计了一个全反射式的远紫外高光谱成像仪光学系统,该系统由扫描镜、离轴抛物面望远镜和超环面光栅光谱仪组成。提出了一种凹面超环面光栅光谱仪像差校正方法,根据凹面光栅的几何像差理论求解初始结构参数,然后利用光学设计软件Zemax进行优化,完成了超环面光栅光谱仪的设计,在工作波段内,点列图半径的方均根均小于16 μm,实现了宽波段像差同时校正,满足光谱分辨率0.6 nm的指标要求,也证明了提出的像差校正方法是可行的。运用光学设计软件Zemax对远紫外高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,各波长的光学传递函数均达到0.8以上,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,适合空间遥感应用。     

轻小型中阶梯光栅光谱仪光学设计及性能分析

中阶梯光栅光谱仪采用中阶梯光栅与棱镜交叉色散结构,在像面形成二维光谱。影响中阶梯光栅光谱仪分辨率因素较多。分析了针孔直径、光栅参数、棱镜参数、CCD像素尺寸和像差对系统分辨率的影响,得到针孔、光栅、CCD是影响系统分辨率的主要因素,并推导三者在确定系统实际分辨率时相互制约的关系,从而设计一种高分辨率轻小型中阶梯光栅光谱仪。结果表明,轻小型中阶梯光栅光谱仪像差得到充分校正,分辨率达到设计要求。通过对拍摄的汞灯谱图进行还原与标定,实际分辨率为0.038 nm,达到目标值(0.05@ 200 nm)的要求。而普通的光栅光谱仪要达到这样的分辨率,其焦距是500 mm左右,充分体现轻小型的优势。     

面向微小型紫外光谱仪的凹面光栅模拟与设计

针对微型紫外光谱仪设计要求,基于凹面光栅理论与方法开展了微小型紫外光谱仪的像差分析,完成平场化凹面光栅的模拟分析与设计,解决了紫外宽光谱与高分辨率问题,同时应用光栅衍射理论、全息光学理论,采用光栅设计软件PCGrate对凹面光栅的衍射效率进行了设计和优化,使所应用级次的光谱衍射效率在整个设计波段内达到最优,实现了微小型紫外光谱仪的平场凹面光栅设计。所设计紫外凹面光栅工作波长范围190～410nm、口径20mm,F/#=0.21。按照设计参数装调的微型紫外光谱仪在宽度为50μm缝光源再现情况下,光谱分辨率优于3nm,衍射效率无异常出现。     

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

 成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。     

基于离轴三反光学系统的高分辨率中阶梯光栅光谱仪

基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪.首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号.然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正.最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400～900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm.     

高分辨率分光光度计光学系统的研究

以高输出能量和低杂散光为系统设计的中心思想,目的为实现小型化、高分辨率、易于操作维护的光学分光系统。提出以非对称式切尔尼特纳(C-T)结构为分光结构,以平面全息衍射闪耀光栅为分光元件。不仅提高了结构的优化自由度,同时系统的输出能量和杂散光方面都得到了显著的改善。通过Zemax光学软件的模拟和优化,结果表明系统光谱范围在400~800nm内,具有较宽的谱线展宽,光谱分辨优于1nm,系统的光学像差控制在容限范围内。结构体积约为95mm×90mm×44mm,满足高输出能量、高分辨率、低杂散光、小型化的设计。     

用于近红外光谱仪的平场全息凹面光栅的模拟与设计

针对近红外光谱分析属于微弱信号与多元信息处理的特点,基于全息凹面光栅理论,采用光学设计软件CODE V,从初始结构出发,利用软件强大的全局优化功能,设计出一种用于近红外光谱仪的平场全息凹面光栅,成功地减小了像 差,解决了宽光谱、窄谱面展宽的矛盾,并充分利用了光谱信息,是一种高效率的分光光学系统结构。利用CODE V软件,不需要求解复杂的高级像差方程,能对结果进行迅速评价,并可在设计中同时兼顾平场和提高分辨率的要求,极大地 提高了工作效率。最后,给出了实例,设计出的全息凹面光栅工作波长范围为900～1700 nm、直径ф=25 mm、F/#=1.5,对设计结果分析表明：在宽度为50 μm缝光源再现情况下,理论分辨率优于6.3 nm。     

双罗兰圆结构光谱仪的光学系统设计

提出一种基于双罗兰圆光学结构的光谱仪光学系统及其设计方法。其中,200 nm～500 nm光路为常规的罗兰圆光学结构;500 nm～700 nm光路运用凹面光栅第零衍射级次光谱线,利用平面反光镜将谱线射入另一个凹面光栅,实现了双罗兰圆光学结构。根据设计要求及光学系统各个参数之间的相互约束,设计、计算出光学系统各个参数指标,基于Zemax仿真分析,调整光学参数并验证光学系统的可行性。针对平面信号探测器在罗兰圆周上存在像差问题,利用反光镜增添信号探测器的可摆放个数,使像差比初始结构减小4.475μm,光谱仪整体光学结构尺寸小于400 mm×500 mm。仿真结果表明：光谱仪所测的光谱波段范围可达200 nm～700 nm,全波段分辨率达0.4 nm。     

零像散宽波段平场全息凹面光栅的优化设计

平场全息凹面光栅的理想像面应为一平面,此时子午焦线与弧矢焦线均位于像面内且彼此重合,形成接近理想像点的光谱像。但子午焦线总是存在弯曲,只有弧矢焦线在满足一定条件的情况下可以成为直线。鉴于此,提出一种满足平场弧矢焦线条件的平场全息凹面光栅设计方法。利用光学设计软件ZEMAX研究了运用此方法设计的零像散光栅的成像特性,并与原有设计方法得到的结果进行比较。模拟结果显示,满足平场弧矢焦线条件的光栅能够达到与原有方法所设计光栅相当的光谱分辨率,而其全波段零像散特性使其拥有更加出色的弧矢方向聚焦性能,显著提高平场光谱仪的信噪比。     

光刻机投影物镜的像差原位检测新技术

提出了一种新的光刻机投影物镜像差原位检测(AMF)技术。详细分析了该技术利用特殊测试标记检测投影物镜球差、像散、彗差的基本原理,论述了该技术利用对准位置坐标计算像差引起的成像位置偏移量的方法。实验结果表明AMF技术可实现球差、彗差、像散等像差参量的精确测量。AMF技术考虑了光刻胶等工艺因素对像差引起的成像位置偏移量的影响,有效避免了目前基于硅片曝光方式的彗差原位检测技术对离焦量、像面倾斜等像质参量限制的依赖。     

交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

根据Czerny-Turner结构光谱仪工作原理,以便携式微型光学系统为设计目标,设计了一种光谱范围为200900nm的交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统.通过分辨率、光谱范围等设计要求确定光谱仪大致结构后,引入初级像差对初始结构进行进一步优化.首次提出将球差约束条件与光阑面选取相结合,设计流程确定准直镜通光口径、光栅初始尺寸及聚焦镜中心波长对应口径,继而结合彗差约束条件,确定球面镜离轴角,并基于几何光学确定聚焦镜初始通光口径的方法.利用ZEMAX软件对初始参量进行模拟优化,并采用自主研制的样机进行光谱测量,分析结果表明,该光学系统能够在狭缝宽度为25μm,光栅常数为1.667μm/line条件下,实现中心波长分辨率优于1nm,边缘波长分辨率优于1.5nm.     

Effects of third-order aberrations on the irradiance of self-image

We examine the effects of third-order aberrations exerted on the irradiance of image that is observable in a coherent self-imaging system. Both spherical aberration and astigmatism degrade the visibility of the image of a sinusoidal-type grating as well as blur the outline of the image of a rectangular-type grating. Coma laterally shifts the image of a sinusoidal-type grating on the image plane as well as changes a rectangular-type pattern into an asymmetrically blurred pattern. According to our analysis, the self-image of a high-density grating with a period of two times the optical wavelength is not at all affected by spherical aberration. In general a self-imaging system can always be corrected for astigmatism by shifting the image plane in its normal direction. We show that the self-image with defect can be well explained by taking the third-order aberrations and the focus-shift aberration into consideration.     

Exact analytical theory of aberrations of centered optical systems

In the paper we present a new theory designed to overcome the deficiencies of the existing aberration theories. The main advantage is the theory’s capacity to perform analytical, direct, and accurate radius, and thickness calculations of aberration corrections for optical components and systems. Methodologically, we derive exact formulas for bilinear transformations from an object to an image space. Next, we introduce relative parameters in the matrix coefficients and by combining bilinear and matrix transformations we develop exact corrections on-axis aberrations and field aberrations such as distortion, astigmatism, and curvatures (including sagittal and tangential). The theory with an accuracy of 10^?8 mm (except for tangential and sagittal coma) allows precise radius and thickness calculation of components and systems for aberration corrections, sets exact coordinates of free-form surfaces, and enables the study of the surface and component capacities for aberration correction. The theory has supported the design of more than 10 different patented optical systems.     

Effects of low-order atmosphere-turbulence aberrations on the entangled orbital angular momentum states

Based on Zernike-model expansion of turbulence phase aberrations and non-Kolmogorov spectrum model of index-of-refraction fluctuation, we analyze the effects of low-order Zernike turbulence aberrations on orbital angular momentum (OAM) entanglement states in a weak fluctuation region. The signal photon detection probability of OAM entanglement states propagating in a slant turbulence channel with non-Kolmogorov turbulence Z-tilt, defocus, astigmatism, and coma aberrations are modeled, respectively. The results demonstrate that turbulence Z-tilt aberration is the dominant aberration, coma is the second, and astigmatism is the third, but that the defocus aberration has no impact on the detection probability. As the power-law exponent of the non-Kolmogorov spectrum increases from 3 to 4, the detection probability decreases.     

宽光谱长焦距物镜的复消色差设计

介绍了以摄远型为初始结构的宽光谱长焦距折射式物镜的设计方法。对玻璃材料的选择进行了分析,并建立了能够分配三分离透镜组光焦度的复消色差方程组。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化,给出工作波长范围在0.4~0.9μm、焦距为400 mm、视场角为6.2°、相对孔径为1∶4的设计实例。设计结果表明,二级光谱得到了很好的校正,像质优良。     

近紫外-可见光宽波段复消色差显微物镜设计

 设计了波段300 nm~500 nm,放大倍率为10×,NA=0.3的近紫外-可见光显微物镜,用于观测激光照射核聚变的成像过程。该系统采用透射式结构,通过P、W设计方法和CODE-V软件的优化,实现了系统的复消色差,较好地解决了紫外光学材料种类少、折射率低带来的像差校正困难和光学系统效率不高的问题。