曝光系统离焦对平面全息光栅衍射波前的影响

波前像差是衍射光栅的重要技术指标，它直接影响光栅的分辨率。由光致刻蚀剂记录两束相干光干涉条纹是制作全息光栅的关键步骤。为了提高全息光栅曝光系统调整精度、减小离焦、降低光栅的衍射波前像差，从离焦对反射球面准直镜的准直光平行度的影响程度出发，分析了准直光平行度对全息光栅衍射波前像差的影响。理论分析和数值模拟结果表明，准直镜调整误差直接决定全息光栅衍射波前像差大小。以3种不同刻线密度光栅为例，得出了准直镜调整误差的允许变化范围。     

脉冲压缩光栅光路调节新方法研究

介绍了一种简单而实用的大口径脉冲压缩光栅光路调节方法,有效解决了普通光路调节方法中轴向调节精度不高的问题。首先由全息透镜(光栅)成像公式出发,推导出了该光路调节的基本原理。并从光栅记录系统与光栅衍射波像差的关系,结合初级像差理论推导得出叠栅条纹像差为0.4786λ,大约是光栅衍射波像差(0.25λ)的两倍,利用此关系也可对光栅衍射波像差进行实时监测。从数值模拟结果可知,利用叠栅条纹法调节光路可将光栅波像差减至0.06λ,相应的轴向误差量为0.007 mm,可有效提高了轴向调节精度。     

提高叠栅条纹信号质量的一种新方法

在国内外普遍使用的细栅距幅光栅叠栅条纹系统中,衍射效应是很明显的,这是造成叠栅条纹信号的衬比(度)和正弦性不好的主要原因.本文在分析了叠栅条纹信号的基础上,导出了衍射光栅副中±1级叠栅条纹的相位与光栅副间隔,光线入射角等的关系,提出了用±1级叠栅条纹来提高叠栅条纹的信号质量,实验结果与理论分析一致,实际应用,效果良好.     

叠栅条纹和CCD用于位移和角度的测量

将叠栅条纹测量技术和CCD器件结合应用于角度和位移的智能测量系统,该系统利用光栅的衍射自成像现象产生虚拟光栅,与另一光栅形成叠栅条纹,并用CCD光电转换系统,测量叠栅条纹的距离,可得到两光栅间的夹角.当任意一片光栅沿垂直于栅线方向移动时,通过数出移过叠栅条纹数目,即可得到相应光栅移动的位移.本文还分析和讨论了误差来源及给实验带来的影响.     

平面全息光栅曝光系统中的分光器件特性分析

分光器件是全息光栅曝光系统中的关键光学元件,它将入射激光光束分成两束,两相干光束叠加后形成干涉条纹。曝光系统的稳定性不但影响干涉条纹对比度,还影响光栅衍射波前像差、杂散光水平以及光栅掩模刻槽质量。为了提高曝光系统的稳定性,分析入射光束角度偏离与两相干光束夹角(2θ)的关系,并结合干涉条纹周期公式,分别导出了以光栅和棱镜作为分光器件时入射激光束角度偏离量与待制作光栅空间相位差的解析表达式,据此分析了光栅和棱镜曝光系统的稳定性。结果表明,采用光栅分光的曝光系统的稳定性比棱镜分光曝光系统稳定性提高5~6个数量级,这对长时间曝光制作全息光栅具有实际意义。     

全息光栅拼接系统中的像差补偿法

全息光栅拼接参数需要用参考干涉条纹来检测。系统像差会造成干涉条纹扭曲,产生光栅拼接误差。为补偿像差造成的光栅拼接误差,对像差与干涉条纹扭曲量之间的理论关系进行了研究,利用计算机模拟了参考干涉条纹图像,并将光栅拼接误差预调制到参考干涉条纹图像中。为验证该方法的有效性,在曝光系统像差峰-峰值为0.72λ的情况下进行了光栅拼接实验,在光栅拼缝处像差造成-1级衍射波面最大突变量为0.36λ。利用预制参考干涉条纹图像作为拼接参考时,其最大突变量为0.097λ。实验结果表明,在曝光系统像差较大的情况下,干涉条纹预制法能够有效地控制光栅拼接误差。     

叠栅条纹相位分布对对准精度的影响分析

光刻对准中,一般将硅片和掩模对准标记制作成周期接近的光栅,通过光栅标记叠加形成的叠栅条纹的相位信息,探测掩模和硅片的相对位置关系。在实际的应用中,叠栅条纹的方向不仅与对准标记的几何位置有关,而且还与CCD的位置有关。为了将叠栅条纹的光刻对准方法推向实际应用,从矩形光栅到叠栅条纹,分析了一般光栅的相位分布规律。根据叠栅条纹相位特性分析了掩模、基片和CCD的几何位置对对准精度的影响;建立了实际对准偏差与理论值的数学关系模型。研究表明,没有角位移的情况下,当位移值小于0.4pixel时,理论上最大对准误差低于0.002pixel。     

双螺旋叠栅条纹检测光束准直性的两种方法

介绍双螺旋叠栅条纹检测光束准直性的基本原理,进一步就双螺旋叠栅条纹的特征参量与被测光束发散角(即光束准直精度)的关系进行分析和推导。在分析双螺旋叠栅条纹进行时,首先采用频域低通滤波提取纯叠栅条纹,然后提取纯叠栅条纹的特征参量。提出两种特征参量的提取方法,一种依次进行傅里叶变换计算相位信息的傅里叶变换方法,另一种是受传统时间相移算法启发而提出的空间相移算法,讨论了在两种方法中极坐标的重采样问题和相应的计算公式,并进行了计算机模拟。结果表明,傅里叶变换方法和空间相移算法实质都是获取叠栅条纹全场趋势的平均值,使最终光束发散角的检测具有很高的精度,对自成像条纹周期的检测误差在±2.8‰以内。     

一种多距离融合的大深度测量范围相移阴影叠栅轮廓术

针对传统阴影叠栅轮廓术深度测量范围有限的问题,根据阴影叠栅条纹对比度的变化特点,提出了大深度范围内的阴影叠栅轮廓新型测量方法。该方法将光栅置于不同的高度,在物体表面形成叠栅条纹,通过将不同高度范围内的条纹相位测量结果相互融合,实现了大深度范围内的阴影叠栅轮廓测量。分析了光栅处于不同位置时叠栅条纹的相位分布特点,提出了基于重叠区域的相位融合方法和误差补偿方法。通过实验验证了所提出方法的可行性和准确性。     

部分相干同步辐射照射下光栅分数塔尔博特效应

基于高斯谢尔光束的相干模式分解理论和波动光学,建立了部分相干同步辐射硬X射线光束通过光学器件的传播模型。模拟了微聚焦X射线光束照射下光栅的分数塔尔博特效应,得到了聚焦光束的光强分布和相干特性变化,并分析了散焦光束入射下的光栅自成像。然后通过模拟准直光束入射下的光栅塔尔博特效应,得到了不同传播距离处自成像条纹的变化情况,分析了影响光栅自成像条纹形状的因素。通过光栅衍射条纹测量同步辐射相干度,发现对矩形相位光栅来说,应该对衍射图样进行傅里叶分解,求出各级傅里叶系数随传播距离的变化曲线,从而得到入射光束相干特性。     

冷却储存环主环磁铁的准直测量

采用激光跟踪仪及配套带软件Insight对兰州重离子加速器冷却储存环主环磁铁进行了安装和准直。首先建立全局坐标系，用来确定从源体到实验环各子系统的理论原点的位置；而各个子系统又分别以各自的理论原点为基础建立局部坐标系，用来安装定位本系统内的各个元件；对各个子系统中的每一个元件还采用了元件坐标系。准直测量时，先在每块磁铁上焊接8个测量基准；然后对磁铁上的基准进行测量，以确定其在元件坐标系中的位置；再架设激光跟踪仪，测量主环控制网点，恢复主环局部坐标系，根据元件在主环局部坐标系中的位置及理论坐标，计算出相关的变换参数；转入元件坐标系，采用激光跟踪仪及Insight 软件显示实时测量坐标及其与理论值之差，其精度达到0.15 mm。     

增量维纳滤波法在波前探测解卷积中的应用

一个常规的自适应光学系统通常包含三个重要环节：波前探测、波前校正和波前重构。因此对系统的技术要求非常高,造成系统复杂,成本昂贵。基于哈特曼-夏克波前探测的图像解卷积处理就是“事后”处理的一种,它省去了波前校正环节,使常规的自适应光学系统得到简化,降低了系统成本。其基本原理为对瞬时波面进行短时间曝光探测,同时记录相应的短时间曝光图像,来进行解卷积处理。将增量维纳滤波法应用于基于哈特曼-夏克波前探测的解卷积中,并对室内模拟点源情况下的三组畸变光斑图像数据进行了解卷积恢复处理。结果表明,将增量维纳滤波法应用于基于波前探测的解卷积是完全可行的,在室内模拟点源情况下,恢复的图像可以达到衍射极限分辨力。与维纳滤波相比,它扩展了噪声抑制因子的选取范围,在噪声抑制因子选取不正确的情况下,仍能得到比维纳滤波更好的结果。     

非球面数字波面检测技术

提出了一种快速检测浅度非球面（非球面度小于0.01 mm）的方法,该方法无需补偿器或其他辅助光学元件进行零位补偿。用移相干涉仪直接测量正轴或离轴的浅度凹非球面,剔除平移、倾斜、失焦等调整误差后,得到实际被测镜面的面形分布数据;根据正轴或离轴的浅度凹非球面矢高方程计算理想非球面的面形分布数据,得到理论波面数据,用实测的面形分布数据减去理论的面形分布数据即可得到被检非球面的剩余波像差,即面形误差。利用该方法测量了一口径为135 mm的双曲面,并用零位补偿法加以验证。两种方法的检测结果精度相当,说明数字波面法可实际应用于正轴或离轴的浅度凹非球面的检测。     

一种静态傅里叶变换红外光谱仪的光学系统分析与设计

对基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪进行了光学分析,研究了光源尺寸、光强分布的不均匀性和光学系统像差等因素对光谱复原的影响。发现光源尺寸影响光谱分辨率,光强分布的不均匀性和光学系统像差会产生基线噪声。数值计算的结果表明,当光阑的尺寸小于2.5mm,不均匀的标准偏差小于0.5,准直系统的波像差均方根值小于0.05,以及缩束成像系统的光斑直径小于30μm时,光谱复原的噪声可以忽略。给出了光学系统的设计结果。     

利用离轴三反镜光学系统确定各镜的装调公差

利用条纹泽尼克系数与赛德尔像差的关系,在三反镜光学系统的出瞳面上,用条纹泽尼克系数来表示系统的波像差。通过光学设计软件Zemax计算得到三反镜光学系统各镜的装调公差,以公差要求高的镜面作为装调基面,从而减少要调整的自由度。通过分析泽尼克(Zernike)系数在公差范围内的变化幅度来确定光学系统在出瞳面上各个像差的变化幅度,用该幅度的变化量来决定主次三镜各自由度在各个方向上的敏感度,最终确定各个自由度的优化调整级别。对一大口径无遮拦离轴三反镜光学系统进行了装调,在波长λ=632.8nm的条件下进行了检测。结果表明:整个光学系统全视场波前误差的均方根值RMS=0.108λ。     

新型离轴反射变焦距光学系统的多视场检测方法

基于对离轴反射变焦距光学系统进行计算机辅助装调研究, 需要检测离轴反射变焦距系统各个视场的波像差, 除零度视场外, 获得包括其他视场的波像差有助于提高计算机辅助装调的准确性, 但是目前已有的波像差检测方法往往只能获得系统零度视场的波像差. 本文针对这个难题提出了一种检测离轴反射变焦距光学系统各个视场波像差的方法, 并应用于离轴三反变焦距光学系统的各视场波像差仿真检测. 该方法在传统自准直干涉法的基础上进行改进, 关键在于采用变形镜代替扫描的平面镜, 并采用夏克-哈特曼波前传感器代替干涉仪, 配合精确标定的激光器光源阵列, 可以实现对离轴三反变焦距光学系统的多视场波像差同时检测. 由理论分析和仿真模拟得出, 该系统在视场(0°, 3°), (0°, 4.2°), (0°, 5.5°), (0°, 7°), (0°, 9.8°), (0°, 14°)处经过变形镜补偿后的剩余波像差的RMS值分别为0.00039λ, 0.00075λ, 0.0024λ, 0.00017λ, 0.00053λ, 0.0057λ, 分析仿真结果表明此检测方案是可行的, 且适用于离轴反射变焦距系统的计算机辅助装调技术的研究.     

泽尼克各项像差对人眼光学质量的影响

基于两个人眼光学质量客观评价标准同心相对瞳孔平面(PFWc)和区域调制传递函数(Marea MTF),研究和分析了波前像差均方根值WRMS处于0.05~1.00μm较大范围内泽尼克各项像差对人眼光学质量的影响。分析结果表明,泽尼克各项在WRMS一定时,瞳孔中心区域的光学质量差距明显,离焦(C4)和球差(C12)项的MPFWc值最小,而五叶草(C15、C20)项的MPFWc值最大。五叶草项在WRMS值处于0.05~1.00μm的范围内,其Marea MTF值均大于0.94,表明该像差项对光学质量的影响可以忽略。MPFWc值和Marea MTF值随着WRMS值的增大而减小,但不是简单的线性关系,随着WRMS值的增大,它们的变化趋于平缓。各项泽尼克像差对人眼光学质量的影响存在较大差别,对人眼光学质量的影响从大到小依次为:球差、离焦、散光、彗差、三叶草、四叶草、五叶草等。     

主客观结合人眼波前像差测量系统的设计与实验

设计了主客观方法相结合的人眼波前像差测量系统。该系统的控制部分以工控机为中心,实现了对离焦补偿装置、LCD视标显示装置和可变形镜驱动器的控制。使用Hartmann-Shack传感器对人眼出瞳的波前像差进行测量,光路中加入了能够显示各种视标和测试图案的LCD,从而考虑到了主观调节对人眼像差的影响,能够对人眼的视觉质量进行全面衡量,实现了客观测量和主观测量在光路中的结合。使用该系统分别测量得到了模拟眼和活体人眼的波前像差,并对主客观测量结果进行了信息融合,能够为个性化的人眼屈光矫正提供有用的依据。     

色分离光栅对输入波前畸变宽容度的研究

 采用频域分段的方法，对强激光系统的波前畸变进行了理论分析；使用随机相位屏构建低频畸变波前模型，并提出采用迭代算法构建中高频畸变波前模型。使用构建的畸变波前模型作为输入，通过模拟计算，给出了色分离光栅对输入波前畸变宽容度的初步规律。