基于位相变更的非相干数字全息自适应成像

菲涅耳非相干数字全息作为一种非扫描的三维成像技术具有其独特的优势,但其成像过程中会受到各种像差的影响,导致成像分辨率、再现像的质量降低.为了解决这一问题,可以结合适当的自适应光学技术对波前像差进行探测和校正.位相变更是一种基于两幅具有已知位相差的强度图像实现波前探测和像差校正的技术.本文发展了基于位相变更的非相干数字全息自适应成像技术,不需要引入引导星,利用全息记录过程中的两幅相移全息图,实现波前像差的探测.本文给出了所发展技术的数值仿真和实验结果,结合位相变更算法求解出系统像差的位相分布,将像差的共轭位相加载到光瞳面上,在全息图记录的同时校正像差,从而提高重建像的质量.     

部分相干光学成像系统的光学传递函数和像质评价准则

根据光学成像理论，建立了部分相干成像光学系统的光学传递函数。该函数与非相干成像光学系统传递函数相同，因而部分相干成像和非相干成像两者的光学系统波面像差公差标准也是相同的。这一点解释了显微镜光学系统的光学设计惯用法则：镜头像差公差标准的选择，并不因为采用成像照明方式的不同而有所差异。     

非相干照明条件下的ptychographic iterative engine成像技术

在传统多波长相干衍射成像理论的基础上提出适用于 X-射线和电子束等非相干光源照明成像的改进多波长ptychographic iterative engine 方法, 同时将小孔形状和照明光谱信息用于叠代计算, 可以在非相干照明条件下精确重建出物体的强度透射像和相位透射像, 并对光源带宽对重建精度的影响进行了分析, 对于解决如何在非相干照明条件下对大尺寸物体进行精确相位成像的问题具有较好的科研和实用价值.     

阵列抽样衍射成像中记录孔径对再现像的影响

从标量衍射理论出发,对基于阵列抽样的相干衍射成像中物波抽样针孔大小和图像传感器有效记录孔径对重现物波的影响进行了理论分析,给出了描述抽样孔径和记录孔径对波前再现像影响的数学公式。理论分析表明,在抽样波前的重现过程中记录孔径的有限大小会导致相邻抽样孔径间发生串扰;这种串扰效应是产生波前重现误差及由此引起的成像噪声的主要来源。通过数值分析串扰次函数极大幅度随记录孔径的变化情况,发现这种串扰效应随着记录孔径的增大振荡减弱。基于该理论分析,给出了最佳记录孔径的定义及其计算公式。并通过一个实验测量实例进一步验证了当记录孔径大小等于最佳记录孔径时得到的衍射像的信噪比最大。     

基于Ptychography的极紫外光刻投影物镜波像差检测技术

Ptychography是一种基于扫描式相干衍射成像的相位恢复技术,实验装置简单,抗干扰能力强。将Ptychography技术用于投影物镜波像差的检测,并分析了检测不同数值孔径投影物镜波像差所采用的光场传播公式、离散化条件及实验架构。数值仿真与实验结果表明,Ptychography技术用于波像差检测时检测标记的通光率需要在45%~80%范围内;增加标记图案的复杂性并在计算过程中增加配准环节可提高收敛速度与检测精度;波像差检测精度在10~(-3)λ以内。将Ptychography技术应用于极紫外光刻投影物镜波像差检测是可行的。     

层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差

以层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差为研究目标,基于非旋转对称光学系统的矢量波像差理论,建立了层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态波像差理论模型,提出一种可用于系统波像差计算的适用性方法。同时,将动态波像差模型应用于两片式微透镜阵列扫描结构的像差分析中,分析了多扫描视场下的初级波像差以及均方根（RMS）波前差,并计算了不同扫描视场下的初级波像差值在光学表面上的分布。所得研究结果对层叠微透镜阵列扫描成像系统的设计优化与装调实验具有理论指导和工程化意义。     

波像差的梯度偏离值评价方法（英文）

针对成像光学系统的波像差检测,提出波像差梯度偏离值评价方法,用于表征波前的成像性能.定义波像差梯度偏离值为波前成像点与成像能量中心的偏离值,相对波像差梯度偏离值为波像差梯度偏离值与艾里斑大小的比值.相对波像差梯度偏离值与波前口径、形状、焦距均无关,其与波像差梯度偏离值均可以用成像尺寸、成像集中度以及成像能量分布等方式进行评价.大量的波像差实际检测结果表明,成像集中度和成像能量分布在不同的检测分辨率条件下的稳定性较好,分辨率每相差一倍产生的差异通常小于10%.中频误差含量不同的两个球面和非球面波像差的实例比较结果表明波像差梯度偏离值可以很好地评价波像差的空间频率分布特征.根据出瞳位置的波像差梯度偏离值分布和像面位置的波像差梯度分布情况,可以方便地指导光学加工和系统装调.该方法可以用于制定波像差指标,进行波前质量控制.     

眼波前像差仿真实验研究

像差是衡量光学仪器成像质量的主要指标,在眼科临床波前像差检测对视觉质量评估具有重要作用。本文介绍了波前像差的基本理论,基于Zernike多项式通过仿真分别给出人眼1-4阶共14项波前像差图,可为教学服务,也可为临床医师提供科学参考。     

三路矩形光束相干合成波像差与光束质量

根据相干合成的原理,建立了三路矩形光束相干合成的数学仿真模型,根据数学模型编写了仿真程序;模拟计算了1～21阶泽尼克像差下,单路矩形光束和三路矩形拼接光束的波像差与光束质量因子关系的拟合系数;建立了波像差与因子关系的计算表达式。分析了影响拟合系数的因素,结果表明:拟合系数总体上随着泽尼克像差系数增大而增加。比较了单路矩形光束与三路矩形拼接光束拟合系数的相似点和不同点,并分析了造成拟合系数不同的原因。     

幅值和相位配准技术及其在光学相干层析血流成像中的应用

频域光学相干层析系统中扫描机构定位精度、 机械抖动及样品移动会造成A扫描信号幅值和相位发生波动, 影响生物组织成像质量. 利用最小灰度差匹配、Lorentzian曲线极值拟合和谱域光程差补偿等方法对A 扫描信号进行幅值配准. 通过对A扫描信号相位分布特征的匹配实现相位差检测与配准. 通过求已配准的A 扫描复信号之差, 消除静态组织对血流成像的影响. 进行了人眼扫描实验, 有效提取了视网膜三维血流图像. 实验结果表明, 提出的幅值及相位配准方法大大减小了系统扫描精度、人眼跳动等因素对生物组织在体成像质量的影响. 快速、精确的相位配准方法也可广泛应用在多普勒OCT、相位显微等与相位分辨有关的光学成像领域. 关键词： 频域光学相干层析 配准 血流成像 相位分布特征     

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。     

Analysis of aberrations of an image formed by a system of noncentered optical surfaces

In the general case of an arbitrary arrangement of optical surfaces in space, it is proposed to take a straight line passing through the center of the entrance pupil perpendicularly to its plane as an assembly base. The coordinates of a point in the object plane and in the entrance pupil plane uniquely determine the position of the incident ray in the space. The wave aberration in the image of a point is represented by a power series of the general form as a function of these coordinates with terms of up to the fourth order. Aberrational analysis of individual components of this series is carried out. A particular case of decentering of an individual component in an axially symmetric optical system is considered. A new kind of aberration is shown to appear in this case.     

同轴收发卡式系统加入平板后的像差校正研究

在卡式系统的后光路中加入倾斜的平板,实现同轴透射端可见光的接收及反射端红外光的发射。该卡式系统口径为400 mm,焦距为4 000 mm,视场为±1.5′,加入平板后会给系统造成较大的像差,为了达到系统设计要求:角分辨率小于1″,MTF曲线在35.7 lp/mm处高于0.6。分析了倾斜平板产生的像差,对比不同材料和厚度的平板对像差的影响。通过加入偏转的双胶合透镜校正像差,但该方法会使系统的出瞳位置发生变化,从而提出使用偏转三胶合透镜保证出瞳位置的校正方法,并对加入的透镜进行公差分析,最终达到设计指标。     

Skew aberration: a form of polarization aberration

We define a new class of aberration, skew aberration, which is a component of polarization aberration. Skew aberration is an intrinsic rotation of polarization states due to the geometric transformation of local coordinates, independent of coatings and interface polarization. Skew aberration in a radially symmetric system has the form of a circular retardance tilt plus coma aberration. Skew aberration causes undesired polarization distribution in the exit pupil. We demonstrate statistics on skew aberration of 2383 optical systems described in Code V's U.S. patent library [Code V Version 10.3 (Synopsys, 2011), pp. 22-24]; the mean skew aberration is 0.89° and the standard deviation is 1.37°. The maximum skew aberration found is 17.45° and the minimum is -11.33°. U.S. patent 2,896,506, which has ±7.01° of skew aberration, is analyzed in detail. Skew aberration should be of concern in microlithography optics and other high NA and large field of view optical systems.     

Orthogonal Aberration Functions for Microlithographic Optics

Newly developed orthogonal aberration functions are reviewed. The new functions can be utilized to express aberrations of a high NA and wide field optical system like a microlithographic projection lens. The new functions are orthogonal to each other and expressed by a simple combination of Zernike function(s) of pupil coordinates and Zernike function(s) of field coordinates.     

Phase retrieval for high-numerical-aperture optical systems

We describe a phase retrieval approach for intensity point-spread functions of high-numerical-aperture optical systems such as light microscopes. The method calculates a generalized pupil function defined on a spherical shell, using measured images at several defocus levels. The resultant pupil functionsreproduce measured point-source images significantly better than does an ideal imaging model. Availability of pupil function information will facilitate new approaches to aberration correction in such systems.     

大倍率离轴无焦四反光学系统设计

空间引力波探测任务采用的是外差法激光干涉测量技术,其对系统的噪声和精度要求极为苛刻。望远镜是引力波探测天文台的重要组成部分,起到激光信号收发的作用,其光学系统应具备大倍率、高像质、杂光抑制能力强,波前误差一致性好的特点。针对上述要求,对大倍率离轴四反无焦光学系统进行了设计和优化。基于初级像差理论阐述了初始结构的求解方法。系统具有中间像面和可用的实出瞳,便于杂光抑制和与后端科学干涉仪的承接。优化过程中,建立了波前一致性优化函数,通过优化设计,系统入瞳直径为200 mm,放大倍率为40倍,科学视场为±8μrad,波前误差RMS值优于0.005λ,PV值优于0.023λ(λ=1064 nm),波前一致性残差RMS值优于0.0008λ(λ=1064 nm),在捕获视场±200μrad内的成像质量均接近衍射极限,并对系统公差进行了分析,满足引力波探测的应用需求。     

投影光学系统中的偏振像差分析

当光束斜入射时,光学薄膜存在一定的偏振效应。在飞利浦棱镜系统中,当一定大小孔径角的照明光束斜入射到分色合色薄膜后,S偏振分量和P偏振分量存在一定的相位差,使得线偏振光变成椭圆偏振光。利用琼斯矩阵偏振光线追迹的方法,分析了投影光学系统中由于两偏振分量相位差引起的偏振像差,以及它与暗态泄漏光强和系统衬比度的关系。得出了系统出瞳面上的光波偏振特性,以及在不同大小孔径角的照明光束入射下偏振像差的变化。分析了膜厚监控误差对光学系统偏振像差的影响,发现膜厚监控误差对偏振像差和系统衬比度有很大的影响。所使用的分析方法可以应用于其他大口径光学系统。     

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。     

长焦距宽波段光学系统二级光谱及畸变——波差法参数求解(续)

本文论述了用波差法求解星模拟器上的光学系统各透镜光焦度和曲率半径的方法。为了校正长焦距、宽谱段光学系统二级光谱与畸变，系统的前后组分别在正逆光路下，各自保留约同值反号的位置色差及球差，用波像差法能较准确的解出其解。