光学合成孔径成像系统子孔径像差研究

根据波像差理论，推导了光学合成孔径成像系统单个子孔径存在各种像差时波面方差与子孔径数(N)的关系。推导结果表明，piston误差对系统的影响最大，其次是离焦误差、倾斜误差、球差、彗差和像散。运用离焦误差对piston误差、球差和像散进行像差平衡，其效果显著，特别是球差引起的波面方差下降90％。系统各项像差系数随子孔径数的增加而降低;当子孔径数大于6时，各像差系数变化缓慢。根据瑞利判据，计算N(N≤6)个子孔径合成系统的像差允限和相应的3孔径系统的斯特列尔比。     

超分辨望远光学系统像差影响及优化设计

针对大口径光学系统中像差影响超分辨效果的问题,开展泽尼克波前像差对望远超分辨成像系统性能和超分辨局部视场影响的研究。设计四区型位相光瞳滤波器,在理想光学系统出瞳处分别加入离焦、像散、彗差和球差像差,逐渐增加幅值,通过分析不同类别和幅度的波前像差下焦面光强分布变化,研究超分辨成像性能和局部视场对不同种类像差的容忍程度。结果表明,离焦可以抑制超分辨旁瓣能量,提高超分辨倍率,但对局部视场影响较大;球差可以抑制超分辨旁瓣能量,增大局部视场;像散和彗差使光斑圆对称性明显下降,其中像散对局部视场的影响较为明显;同时加入适量离焦和球差时,超分辨旁瓣能量下降,超分辨倍率提高,且不影响系统局部视场。据此设计了一个F数为10,焦距为12 m的大口径光学系统,通过合理优化球差和离焦剩余量,实现了超分辨倍率由1.21倍到1.31倍的提升,最大旁瓣峰值由0.33下降到0.30,局部视场为38.28μm。     

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。     

大气湍流波前低阶模式的时间功率谱分析

引入规格化的相位谱,推导了大气湍流波前低阶模式（Ｚ－倾斜和Ｇ－倾斜、离焦、像散以及彗差）的时间功率谱,并就水平大气传输、星体目标观测、空间目标监测等几种情况作了实际的数值计算及分析,此外还给出实验结果,分析结果表明：对于水平大气传输模式,倾斜功率谱曲线的低频阶段的指数下降因子为４／３－６β／１１（β为相位谱空间频率的指数下降因子）,离焦、像散和彗差项的功率谱低频段指数下降因子为０;水平大气传输工作     

单驱动器变形镜对低阶像差补偿能力的研究

变形镜能够实时校正波前相位畸变,减弱大气湍流的影响,是自适应光学系统的核心器件。单驱动器变形镜通过1个驱动器产生1个模式,恢复波前相位。利用有限元软件,研究了单驱动器变形镜对低阶像差的补偿能力。仿真结果表明,单驱动器变形镜可以对离焦、像散及彗差进行有效补偿,通过控制驱动器的位移,分别实现了对PV值为5 m的离焦、像散和慧差的补偿,补偿后的残差PV值分别为1.5 m、1.6 m和1.2 m,残差的RMS值分别为0.99 m、0.63 m和0.59 m。     

像差对星间相干光通信接收系统误码性能的影响

以空间链路方程为基础,详细推导了具有不同像差时的星间相干光通信接收系统信噪比表达式。以通信距离为60000km、速率为2Gb/s的2PSK零差同步轨道接收系统为例,通过数值仿真,全面比较了接收天线的倾斜、离焦、彗差和像散等像差对接收系统误码率(εBER)的影响。结果表明,不同像差单独作用时,倾斜像差的影响最大,象散的影响最小;不同像差相互作用时,它们中的某些能部分实现相互校正,从而降低误码率。以εBER≤10-6为比较标准,当彗差W31/λ≤1.00时,调整倾斜像差能实现它们之间的部分校正;当像散W22/λ≤0.53时,调整离焦能对像散进行部分校正。因此,在设计接收系统时,接收天线的像差所产生的影响不容忽视。这将为设计星间相干通信接收系统提供必要的理论依据。     

二次曲面共形整流罩像差影响因素分析

传统整流罩为半球形或半球形的一部分,产生的空气阻力较大,不利于武器飞行速度的提高。基于空气动力学性能的考虑,采用共形整流罩的光学技术被提出。文章描述了二次曲面共形整流罩外表面、内表面的设计方法及面型表达式,通过在CODEV中建立共形整流罩的扫描成像模型,应用Zernike多项式分解法研究了不同长径比、边缘斜率、口径比和回转中心位置对离焦像差(Z4)、像散(Z5)、彗差(Z8)和球差(Z9)的影响规律。研究结果表明:二次曲面共形整流罩引入的离焦像差、像散、彗差和球差均随着长径比、边缘斜率和口径比的增加而增大,但对成像系统回转中心的位置不敏感。因此,在满足武器的空气动力学性能条件下应尽量减小长径比、边缘斜率和口径比,回转中心的位置主要根据结构需要进行设计。     

波前编码系统成像特性的空间域分析

波前编码技术在大幅度地增加光学系统景深的同时,可以抑制各种离焦类型的像差。目前波前编码系统的成像特性分析大多是基于空间频率域的分析,在应用稳定相法导出三次型相位板波前编码系统的点扩展函数近似解析式的基础之上,描述了点扩展函数的边界、带宽与振荡等特性,分析了波前编码系统对离焦、像散、彗差等常见像差的敏感性,从空间域进一步分析了波前编码系统的成像特性。     

非球面眼镜片的像差分析和设计

根据非球面眼镜片的赛德尔 (Seidel)初级像差理论 ,分析讨论了在消像散条件下校正球差、彗差和畸变的可能性 ,指出适当优化镜片的形状因子 ,能够获得畸变低于球面镜片的点焦 (即消像散 )非球面镜片。以± 6 .0m- 1 镜片为例 ,给出了校正畸变、点焦、无拐点非球面镜片的设计方法与结果 ,通过性能评价和比较 ,指出非球面镜片的像差校正情况与初级像差理论的分析结果基本一致     

像差及湍流对90°空间光混频器性能的影响研究

光信号在大气湍流中发生畸变,畸变光信号经过有缺陷的光学天线和空间光混频器后,存在混频效率低及抖动的问题。针对空间输出型和单模输出型的90°空间光混频器,推导了带初级像差的90°空间光混频器模型,并研究了湍流对混频效率的影响。仿真结果表明,对于探测器靶面半径为50μm的空间输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、球差、离焦、彗差和像散分别导致混频效率下降9.8%、0.6%、0.36%、0.02%和0.01%。对于单模输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、像散、离焦、彗差和球差分别导致混频效率下降14.11%、8.39%、6.35%、2.63%和1.13%。湍流强度Cn²小于6.4×10^-17m^-2/3时,空间输出型比单模输出型混频器的混频效率高19%以上,在湍流强度Cn²大于6.4×10^-16m^-2/3时,两者混频效率接近于0。最后设计加工了空间输出型和单模输出型90°混频器,并搭建性能测试平台。对于探测器靶面半径为50μm的空间输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、球差和离焦导致混频效率下降52%、10%和6%;对于单模输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、像散和离焦导致混频效率下降65%、24%和11%,其他像差对混频效率没有影响。湍流对混频器性能影响的实验结果显示,空间输出型光混频器中频信号值的标准差为21.388,该值远低于单模输出型标准差247.442。     

基于人眼光学质量的球差和离焦补偿关系研究

基于人眼光学质量客观评估方法,通过实测的屈光手术前后人眼波前像差数据,研究和分析了球差与离焦的补偿关系。结果表明,对于屈光手术前的近视眼患者,离焦与球差的补偿关系并不明显。对于屈光手术后的近视眼患者,离焦与球差的补偿关系明显,残余离焦可以部分补偿由于高阶像差增加引起的视功能降低。当残余离焦处于0.27D～0.74D范围内,离焦与高阶像差组合后,光学质量提高了20%以上。在屈光手术方案设计时,预留0.27D～0.74D的离焦时,可以使80%的人眼达到更好的视觉矫正效果。     

直视合成孔径激光成像雷达内发射场波前像差对成像的影响

直视合成孔径激光成像雷达采用内发射场直接波面变换平动扫描发射,通过自差接收实现高分辨率成像。由于远场目标位置的光场分布取决于内发射光场,因此内发射场的波前像差会对激光雷达图像质量产生影响。采用Zernike多项式描述波前像差,对初级像差造成直视合成孔径激光成像雷达的成像影响进行了研究,理论分析和仿真结果表明:离焦、象散、彗差和球差对成像的影响最为严重,像差越大,其对成像分辨率的影响也越大。当像差的均方根值小于0.05λ时,对成像分辨率的影响很小,当像差的均方根值为0.25λ时,其象散和彗差引起成像分辨率近似增大到原来的3倍。彗差和球差还造成不同目标位置的成像分辨率不同,离中心位置越远,成像分辨率增加越快。     

光瞳离轴自由曲面光学系统像差特性分析

基于节点像差理论,提出了以泽尼克多项式为表征函数的光瞳离轴自由曲面光学系统像差分析方法,推导了光瞳离轴自由曲面系统的三阶像散和彗差解析表达式,分析了自由曲面对光瞳离轴系统像差节点分布的影响。根据像差分布特性,有针对性地选取和优化泽尼克系数,设计了一个光瞳离轴自由曲面空间天文光学系统,系统有效焦距为25m,口径为2m,视场为1.2°×1.2°。自由曲面的引入,使系统三阶像散和彗差节点重新回到视场中,不仅平衡了系统光瞳离轴引起的非对称像差,而且有效控制了全视场内点扩展函数(PSF)椭率,减小了星体观测时的测量误差。系统成像质量接近衍射极限,满足使用需求。     

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...     

紫外高分辨率像散校正型罗兰全息光栅设计

为了降低紫外高分辨率罗兰光栅的像散对光谱像高展宽的影响,提出了在罗兰圆上使用球面波非对称曝光设计思路。推导完全校正离焦和子午彗差的表达式,讨论了多种罗兰光栅记录结构的局限性,优选适合校正紫外高分辨率罗兰光栅的优化方法。通过全息光栅像面展宽表达式, 指出像散和弧矢彗差是影响光谱像高的主要因素,并分配了两者的优化权重。利用这种优化思路,设计了工作波段110～200 nm紫外高分辨率罗兰光栅,同时对比分析了传统光栅的像差系数和像高变化规律、像面结构和光谱分辨率。结果表明,和传统罗兰光栅分辨率处于同一数量级的情况下,所设计光栅光谱像高由25 mm降低到1.5 mm,谱面能量集中度有显著的提高。     

人眼入射波前像差和出射波前像差的差异

利用临床采集的人眼波前像差、角膜地形图和眼轴数据,在光学软件Zemax中构建了60只个性化眼模型,得出在瞳孔直径为6mm和3mm时的入射波前像差和出射波前像差.在6mm瞳孔下,入射波前像差大小为3.753μm,出射波前像差大小为3.074μm,差异有统计学意义(显著性值0.05).其中,入射波前像差和出射波前像差的离焦项差异大小为1.131μm,约占总差异的82%.入射波前像差和出射波前像差的球差项差异大小为0.185μm,约占总体差异的13%.6mm瞳孔下,除去高阶像差项,出射波前像差和入射波前像差的离焦项、像散项、彗差项和球差项均具有统计学差异性.而在3mm瞳孔下,入射波前像差为0.804μm,出射波前像差为0.732μm,两者具有统计学差异性(显著性值0.05).入射波前像差和出射波前像差的离焦项差异大小为0.133μm,约占总体差异的80%.除去像散项,出射波前像差和入射波前像差的离焦项、彗差项、球差项和高阶像差项均具有统计学差异性.研究表明,无论在大瞳孔还是在小瞳孔下,人眼的入射波前像差和出射波前像差均具有统计学差异性.     

一种线性相位反演波前测量方法的实验研究

 描述了基于线性相位反演算法的波前传感器的基本组成结构。在实验室内搭建了相应的演示验证实验装置，对该种新型波前测量方法的特性进行了实验研究。实验计算结果表明：这种根据入射全孔径远场光斑强度分布直接反演出入射波前相位的线性相位反演新方法原理是可行的。只需实时测量一幅焦平面图像，根据焦平面上光强分布的微小变化量与入射孔径面上的相位分布的微小变化量之间存在的近似线性关系，就可以用模式复原的原理复原出入射波前相位。传感器对于离焦，像散等像差模式都可以进行较为准确的测量，误差率都小于1。对称系统像差中存在少量的非对称像差对复原结果的准确性影响不大。     

腔内像散扰动对正支共焦腔模式影响的数值分析

 针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的输出光束质量和光束能量下降问题,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,并采用数值迭代法计算了理想情形和腔内像散扰动对无源正支共焦腔输出模式强度和相位分布的影响,进一步采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合,得到了前35阶Zernike像差系数、点扩散函数(PSF)分布和环围能量曲线,计算了腔内像散扰动量与远场Strehl比的关系。结果表明：对小菲涅耳数正支共焦腔,腔内像散扰动对输出光束强度和相位分布均有明显影响,相位分布中一些高阶Zernike像差也有所增大。因此在进行腔内像差校正时,应优先考虑此类像差的校正。     

大口径光学系统在轨调整补偿能力

随着航天遥感需求的不断提高,光学遥感器的口径越来越大,光学元件的支撑和重力变形对光学系统的影响难以消除,因此需要在轨调整光学元件位置变量,来补偿主镜面形误差引起的系统光学性能的下降。以一个大口径同轴三反射式光学系统为例,在理论上分析了次镜的倾斜、偏心和轴向位置引起的初级像差的变化,得出次镜的在轨补偿能力。利用Zernike多项式模拟主镜面形误差,通过调整次镜的位置自由度,分别补偿主镜的球差、彗差和像散,给出了仿真结果,并进行了工程可实现性分析。结果表明,次镜的位置自由度调整能够补偿主镜的彗差,并能够补偿一定量的像散,但是只能补偿小量球差。     

彗差和球差对涡旋光束斜程传输特性的影响

利用涡旋光束作为空间光通信载波可以大大提高数据传输的容量,因此,研究涡旋光束在大气湍流中的传输具有重要意义.涡旋光束在大气湍流中传输时会产生光束漂移,进而影响通信系统的性能.本文基于多相位屏和傅里叶变换的方法,研究了带有彗差和球差的涡旋光束在大气湍流中传输时的光束漂移特性.结果表明,涡旋光束在大气湍流中传输时,随着传输距离的增大,彗差和球差对光束漂移特性的影响均明显增强.传输天顶角及彗差系数越大,涡旋光束的光束漂移量越大,而球差系数的增大,将会降低光束漂移量.当天顶角和传输距离相同时,涡旋光束的漂移量都会随着拓扑荷数的增大而减小.相对而言,彗差对涡旋光束的光束漂移特性影响比球差更大.