紧凑长轴向色散光谱共焦镜头

为提高和扩大光谱共焦位移传感器的测量精度和测量范围,并解决像方测量大数值孔径和物方光纤小数值孔径匹配下镜头过长的问题,设计一种紧凑型长轴向色散光谱共焦镜头。色散镜头用5个球面镜片,在工作波长450～700 nm内轴向色散范围达3.5 mm,波长和焦移线性拟合相关系数为0.97,像方数值孔径为0.48,光学长度为135 mm。在相同的镜头参数下,该色散镜头的轴向长度相比普通色散镜头减少了约35%。最后利用设计的色散镜头搭建光谱共焦位移测量系统,并进行性能评估实验。实验结果表明,该系统的最大测量标准差为0.05μm,最大平均绝对误差为0.04μm,实际轴向分辨率优于0.5μm,对被测物的最大测量角约为28.5°。     

光谱共焦三维形貌仪用超大色散线性物镜组设计

光谱共焦三维形貌仪具有精度高、测量范围大、适应性强等特点,其关键部件是产生轴向色散的物镜,色散物镜轴向色散与波长间的非线性会导致系统整体性能下降。分析了共焦法检测表面形貌的工作原理,以及产生线性轴向色散的条件,根据共焦光学系统的基本设计原理,在预设的设计指标及要求下,完成一个超大色散线性物镜组设计。该色散物镜组采用四级串联结构,在400~700 nm光谱范围内达到30 mm的色散范围,波长离焦量和波长之间线性度通过线性回归拟合得出判定系数为1,满足色散的线性度要求。     

光谱共焦测量系统中的色散透镜组设计

光谱共焦位移测量系统具有精度高、质量轻、体积小和灵敏高等优点,可以实现在各种极端情况下的微位移测量。在光谱共焦测量系统中色散透镜组的色散特性决定了整个测量系统的性能。对色散透镜组的测量需求进行了分析,提出了详细的设计指标,基于折射、衍射两种方法对透镜组进行了设计和优化,给出了设计结果。色散透镜组的色散范围为2.2mm,光谱范围为500～700nm,线性度较好。利用分辨率为0.5nm的光谱仪接收光谱信息,理论上精度优于2μm。     

基于光谱共焦的碱金属气室壁厚测量传感器的线性色散物镜设计

基于光谱共焦的碱金属气室壁厚测量传感器是通过直接测量光波波长信息来得到透明材料厚度值,是一种非接触式厚度测量传感器。色散物镜是厚度测量传感器的核心部件,色散物镜的线性度和色散范围决定了厚度测量传感器的精度和分辨率。文章介绍了基于光谱共焦的厚度测量传感器的原理,分析了波长信息与轴向色散范围之间的关系,利用ZEMAX光学设计软件对色散物镜进行设计,采用多重结构进行优化。在420～620nm的波长区间内实现0.801mm的轴向色散范围,使用最小二乘法对波长和轴向色散进行线性拟合所得线性度为0.9975。配合0.001nm的高分辨率光谱仪,传感器测量精度可以达到纳米级,满足对碱金属气室壁厚高精度测量的需求。     

基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量

光学元件轴向间距测量对精密光学系统的定位和装调具有重要意义。针对现有色散共焦测量系统中色散物镜结构复杂、色散范围小的问题,提出基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量方法,将传统折射共焦镜头几百毫米的轴向尺寸和复杂的装调需求简化为数毫米的单片镜,简化了系统结构。透镜间距和厚度测量实验表明,间距测量误差为10 μm。     

双光路成像干涉定心系统设计

在光刻投影物镜镜片加工和装配时,为了满足磨边定心和装配定心阶段对镜片测量的量程、灵敏度和准确度不同的需求,本文提出了一种双光路准直成像复合干涉的定心方法,采用同一光路实现准直和干涉两种不同的测量方法,分别针对磨边定心和装配定心的测量需要.根据实际需要设计了测量系统的参量,根据该参量对系统的测量范围、灵敏度和准确度进行了理论分析.结果表明:该系统在准直测量阶段的测量范围从1μm到500μm,测量灵敏度最高为0.2%,测量准确度为1.02μm;在干涉测量阶段的测量范围从0.01μm到1.9μm,测量灵敏度最低为0.1%,测量准确度达到0.2μm,可以满足在磨边定心阶段大量程、低灵敏度、低准确度以及装配定心阶段小量程、高灵敏度、高准确度的定心要求.采用双光路成像干涉原理的定心系统满足了设计需求,可指导光刻投影物镜等高准确度物镜的生产和装调.     

光谱共焦位移传感器色散镜头设计

色散镜头是光谱共焦位移传感器的核心部件,轴向色散与波长之间的线性度直接影响系统的测量精度。研究了轴向色散与玻璃材质之间的关系,结合透镜组光焦度分配公式,分析线性色散产生条件,设计了一款色散镜头;使用ZEMAX进行仿真优化,镜头在500~700nm工作波段范围内,色散范围约为150.34μm,轴向色散与波长线性度通过一元线性拟合分析,判定系数达0.9972,镜头分辨率较高,配合现有的光谱仪使用,传感器分辨率可达纳米级,满足高精度测量要求。     

基于二元光学透镜光谱聚焦特性的微间距测量

针对传统色散透镜的色散线性度很难保证为绝对线性,测量范围很窄的问题,且为了尽量减小球差尤其是对测量影响最大的轴向球差,提出一种将二元光学透镜引入到光谱共聚焦微小间距测量的方法。该方法中二元光学透镜的色散只与入射光的波长有关,且严格与入射光的波长成反比。二元光学透镜不存在球差问题且可以补偿校正测量系统中其他光学组件的未知色差。实验中选择510～690nm范围内的光谱,利用分辨率为0.5nm的光谱仪接收光谱信息,测得该方法的测量量程为13.95mm,测量误差为0.6μm,并通过对光盘上的刻录间距进行测量,验证了该方法的有效性。     

双光路成像干涉定心系统设计

在光刻投影物镜镜片加工和装配时,为了满足磨边定心和装配定心阶段对镜片测量的量程、灵敏度和准确度不同的需求,本文提出了一种双光路准直成像复合干涉的定心方法,采用同一光路实现准直和干涉两种不同的测量方法,分别针对磨边定心和装配定心的测量需要.根据实际需要设计了测量系统的参量,根据该参量对系统的测量范围、灵敏度和准确度进行了理论分析.结果表明:该系统在准直测量阶段的测量范围从1μm到500μm,测量灵敏度最高为0.2％,测量准确度为1.02 μm;在干涉测量阶段的测量范围从0.01 μm到1.9 μm,测量灵敏度最低为0.1％,测量准确度达到0.2 μm,可以满足在磨边定心阶段大量程、低灵敏度、低准确度以及装配定心阶段小量程、高灵敏度、高准确度的定心要求.采用双光路成像干涉原理的定心系统满足了设计需求,可指导光刻投影物镜等高准确度物镜的生产和装调.     

基于二向色及透射准直的小型近红外拉曼光谱仪

搭建了可用于生物医学检测的小型近红外拉曼光谱仪。通过理论计算,几何光路设计,完成了系统组装。有别于传统反射式准直结构：(1)本光谱仪色散系统采用透射式准直的方法,将散射光投射到光栅上进行色散;(2)经二向色镜分光,采用物镜对入射光会聚和散射光收集,设计了与色散系统入射狭缝相匹配(共焦面)的外光路系统,进而有效收集拉曼信号和去除杂散光;(3)实现了高分辨率(3 cm-1)、高重复性和高灵敏度光谱检测,检测范围500~2 200 cm-1(785 nm激发);(4)小型化设计,整个系统尺寸约240 mm×200 mm×130 mm,自由度高。将此自开发小型拉曼光谱仪应用于葡萄糖和膝关节软骨的拉曼光谱测试,获得了与大型商业拉曼光谱仪相媲美的结果,验证了该光谱仪具有高分辨率,高重复性和高灵敏度的优越性能,可灵活地应用于生物医学等多领域的研究。     

基于彩色共焦的位移测量系统研究

为实现小型化、非接触式、快速高精度的位移测量,设计并搭建了基于光学彩色共焦原理的位移测量系统。系统中数据拟合采用的方法是,对光谱响应函数极值周围的数据进行高斯叠加拟合,以获得光谱响应曲线的峰值,从而得到峰值所对应的波长。经过实验验证,系统的测量范围为2mm,测量精度可以达到10μm,线性度为3.4%,光谱响应的半高宽(FWHM)为49nm。因此能够满足一定精度的位移测量需求。     

泛卡塞格林光学系统的色差研究

泛卡塞格林光学系统结构简单、像质优良,广泛应用于空间光学领域中。从对研制完成的谱段位于500～800nm的泛卡塞格林光学镜头的调制传递函数(MTF)的测量结果出发,结合泛卡塞格林光学系统的结构特点,分析表明光学设计的色差来源于其高次施密特非球面镜,提出了一种利用非球面镜的最小色差条件来改进光学系统的新方法。通过三级像差理论,分析了施密特非球面镜的面形方程,计算出最小色差条件及相应的中性带高度,进行光学设计的优化改进,取得了良好的效果。结果表明,改进后光学系统的色差由原来的31.4μm减少为4.25μm,且光学系统的MTF值达到0.6以上(40lp/mm),像质优良。该方法为类似光学系统的设计提供了一定的参考价值。     

紫外-可见宽光谱显微成像光学系统的设计

 介绍一个紫外-可见宽光谱显微物镜的设计过程。通过改进的PW法求解初始结构参数,确定采用两个分离的正负透镜组组成透射式光学系统,根据光学材料的色散特性,选取正透镜材料为CaF2,负透镜材料为熔石英,通过建立复消色差方程组来分配双分离透镜的光焦度,合理地对两组透镜的偏角进行分配。运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化,使系统的位置色差和二级光谱同时得到校正,实现了复消色差。仿真结果表明：系统在整个视场范围内,点列图弥散圆RMS半径值小于5  ,最大视场处的像散为0.058,畸变为0.04 %。     

Fiber-based chromatic confocal microscope with Gaussian fitting method

The chromatic confocal microscopy is an effective method for displacement measurement. However, with relatively low detection efficiency, chromatic confocal systems from previous studies suffer from either a limited measuring range or an unsatisfying resolution. In this paper, a novel chromatic confocal system is proposed based on optical fiber with large diameter that is specifically chosen to allow more light to be detected, thus greatly improving the detection efficiency of the system. To accurately locate the peak wavelength of the recorded spectrum, four data processing methods are proposed and compared, within which the Gaussian fitting model is considered best for the system. A series of experiments are done to verify the feasibility, resolution and stability of the system. An applicable measuring range of 600 μm is discovered with a highly linear range of 400 μm. The system has a high resolution close to 0.10 μm with satisfying stability shown by a long-term displacement standard deviation of 0.16 μm.     

梯度折射率棒透镜的色差估计

对梯度折射率(GRIN)棒透镜色差的影响因素进行了研究,在玻璃光学性质计算模型的基础上建立了梯度折射率棒透镜色差估计函数与基础玻璃性能、交换离子对性质和参与交换的离子数量之间的关系。对Na+/Li+,K+/Cs+和K+/Tl+交换制备的梯度折射率棒透镜的色差进行了计算,结果表明,GRIN棒透镜的色差评价函数主要取决于基础玻璃和交换离子的性质,而与参与交换的离子数量无关。     

Hyperchromats with linear dependence of longitudinal chromatic aberration on wavelength

Optical lens systems that are characterized by a chromatic aberration of a predefined form are called hyperchromats. Our work describes a theory of hyperchromats with a linear dependence of longitudinal chromatic aberration on wavelength. The equations are derived for calculation of basic design parameters of these optical systems and some examples of hyperchromatic optical systems are shown. Mentioned optical systems can be used especially in 3D imaging systems and confocal microscopy.     

N.A.0.75平场复消色差显微物镜光学设计

为解决普通生物显微物镜视场小、场曲和色差严重的问题,本文利用光学软件Code V设计了一款20×平场复消色差显微物镜,通过合理的结构优化、光焦度分配及材料选择,使该物镜具有大视场、高数值孔径、平场复消色差的特点。设计分析结果表明,该物镜平场数为0.11 μm,最大焦移量为0.5 μm,满足显微物镜国际标准的规定;光学传递函数(MTF)曲线与理论衍射极限接近,达到指标要求,该物镜在可见光范围内实现了平场复消色差设计。公差分析结果表明RMS波前差劣化至0.24λ,能够满足加工和实际应用要求。     

采用色差先验约束的像差校正技术

本文通过分析自然图像的边缘3个通道之间的关联性,提出"同一物体的边缘在3个颜色通道应处于相同位置"的色差先验约束,该约束在数学上近似为各通道的相对导数相等,基于此色差先验约束,建立了一种新的像差校正模型即图像解卷积模型,并给出了基于交替方向乘子法的模型求解算法。实验结果表明:本文的像差校正技术可以提升图像的峰值信噪比10 dB以上,明显优于目前主流的BM3D和YUV算法,并且视觉提升效果明显,基本满足普通光学系统对像差的校正要求。