相位光栅型曲率传感器的波前校正算法

 针对相位光栅曲率传感器能够测量波前曲率在光瞳面上分布的特点,提出了一种采用整个空间分布的曲率信号来实现波前校正的算法。用曲率型变形镜影响函数的曲率信号在光瞳面上的分布来拟合待校正波前的曲率信号,采用最小二乘方法得到变形镜的控制电压,实现波前校正过程。数值模拟了一种41单元曲率型自适应光学系统采用该算法的波前校正过程。结果表明,对4至28阶Zernike像差体现了校正效果,对曲率为0的Zernike像差校正效果略好于曲率不为0的Zernike像差。与传统分区法的校正效果相比,整体法对Zernike像差的校正效果基本相当。整体法无需对光瞳面上的曲率信号进行与电极分布相同的分区,降低了对系统校准的要求。     

双波前校正器全光路像差校正自适应光学系统像差解耦分析

分析了双波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的工作原理,并通过共模波前传感器中的两套波前传感器探测得到的波前信息进行数据差分融合,按照优化理论推导了两套波前校正器需要校正的像差公式.根据此像差公式,仿真分析了以两套61单元变形反射镜组成的双波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的校正能力,并与单套波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的校正能力进行了比较,结果验证了推导的像差公式的正确性,也说明了两套波前校止器不仅可以解耦,而且其校正效果与理想行程单套波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的校正效果相当.     

一种提高波前空间校正能力的组合变形镜自适应光学系统

提出了一种利用光学共轭关系,实现多变形镜空间匹配从而提高波前空间校正能力的自适应光学系统方案.通过理论分析给出了组合变形镜的面形描述方法,在此基础上建立了一套基于由两块相同方形排列变形镜构成的组合波前校正器的完整自适应光学实验系统.通过数值仿真研究了该系统对前35阶Zernike像差的校正效果,并且通过实验对比了组合变形镜和单一变形镜对实际静态像差的闭环校正效果.结果表明组合变彤镜可以等效为一多单元变形镜,在直接斜率控制算法下正常稳定闭环工作,校正效果明显优于单一变形镜.组合变形镜技术通过空间匹配实现了增加波前校正器驱动单元数和等效交连值,有效地提高了对波前的空间校正能力,因此可以代替高成本的单一多驱动器变形镜用于自适应光学系统中高阶像差的校正.     

双变形镜自适应光学系统像差解耦研究

对由大行程变形镜和高空间频率变形镜组成的双变形镜自适应光学系统中的像差解耦原理和限定像差校正算法做了理论分析。认为在高空间频率变形镜的斜率响应矩阵中加入限定像差向量,根据直接斜率法分别计算出两个变形镜的控制电压,可以实现两个变形镜分别对低阶像差和高阶像差的闭环校正。仿真研究了19单元变形镜和61单元变形镜组成的双变形镜自适应光学系统对低阶像差和高阶像差分别校正的情况,结果说明双变形镜自适应光学系统的校正效果与理想行程的单变形镜自适应光学系统的校正效果相当,避免了制作同时具有大行程和高空间频率两个特征的变形镜。     

基于模型的无波前探测自适应光学系统

基于波前梯度的二阶矩和修正后的远场强度分布近似呈线性关系,设计了一种基于模型的无波前探测自适应光学系统快速闭环控制算法。使用61单元变形镜、CCD成像器件等建立了自适应光学系统仿真平台,并以不同湍流强度下的波前像差作为校正对象,分析了这种基于模型的无波前探测自适应光学系统的收敛速度、校正能力及对不同像差的适应性。结果表明,基于模型的无波前探测自适应光学系统在快速收敛的同时,能够获得接近波前校正器件的理想校正能力。N阶模式像差校正时,系统只需要进行N+1次远场光斑的测量。和现有的各种无波前探测自适应光学系统控制算法相比较,基于模型的无波前探测自适应光学系统所需的测量次数大大减少。     

激光导引星自适应光学系统对大气湍流低阶像差校正效果分析

 在对大气湍流相位扰动进行Zernike多项式展开的基础上,通过对信标和目标光的Zernike系数相关因子的推导, 得到了实际自适应光学系统（系统存在时间滞后和有限的空间分辨率）对相位扰动各阶像差的校正残差公式。同时结合实际,对瑞利导星以及钠导星自适应光学系统补偿大气湍流各阶像差的能力进行了计算和分析,为实际自适应光学系统的设计提供了理论参考。     

97单元MEMS变形镜波前像差拟合能力分析

变形镜是自适应光学系统的关键元件,它对波前像差的拟合能力决定了自适应光学系统的校正性能。文中从变形镜对Zernike单阶像差、组合像差以及闭环校正三个方面分析97单元变形镜的拟合能力。仿真结果表明,当原始波前均方根的值为一个波长时,Zernike多项式前3～42阶残余波前像差的RMS小于0.4λ,说明变形镜对Zernike的前3～42阶像差具有较好的拟合能力。变形镜对Zernike多项式组合相差拟合以及基于随机并行梯度下降算法的闭环校正结果表明,当波前像差较小时,像差基本得到完全拟合及校正,当波前像差较大时,如D/r_0=20时,残余波前像差的RMS值均小于0.14λ(初始RMS为0.63λ)。分析结果对97单元变形镜的实际应用提供了理论依据和使用参考。     

基于衍射光栅曲率波前传感器的实时波前重构研究

自适应光学系统要求波前传感器能实现动态实时测量,曲率波前传感技术符合这一发展要求。一种新型的基于扭曲衍射光栅的曲率波前传感器在探测装置的实现方法方面具有较大优势,其波前重构已应用于光学度量。根据衍射光学理论,对其探测信号进行数值模拟,并利用Neumann边界条件的Green函数法对其波前重构进行数值模拟。结果表明：Green函数法归结为2矩阵相乘,计算速度快,达到实时重构要求; Green函数法对阶数不高的Zernike多项式重构效果较好;影响重构误差的主要因素是光强梯度的边界噪声。     

一种基于全息术的光学系统闭环像差补偿方法

提出了一种基于21单元变形镜与全息波前传感器的全息自适应光学系统, 并对其像差校正能力进行了分析. 首先描述了全息波前传感器基本原理, 并在薄全息图近似下给出基于快速傅里叶变换算法的全息波前传感器数值模型; 然后基于21单元变形镜的数值模型, 分析了该变形镜的波前校正能力; 在此基础上, 数值模拟并实验验证了全息自适应光学系统对静态像差的闭环校正能力.     

双压电片变形反射镜样镜的设计与研制

双压电片变形反射镜作为波前校正器具有结构简单、变形量大、成本低及制造周期短的优点,能代替传统分立式变形镜从而降低自适应光学系统的成本.为验证工艺的可行性和了解双压电片变形反射镜的性能,制造了一块20单元的试验样镜.样镜采用了双层压电陶瓷的结构,其中一层作整体离焦电极以校正大幅值的离焦像差.利用Veeco干涉仪测最了样镜单元电极影响函数,分析了其埘前36项Zernike像差的校正能力.结果表明,样镜对离焦像差能获得高达8μm以上的校正量,对其它高阶像差也能适量校正,但校正能力随空间频率升高而降低,显示出其适合校正低阶像差的特性.此外,讨论了不同有效孔径下样镜对Zernike像差的拟合能力.     

曲率波前传感器探测高斯光束时的信号误差

曲率波前传感器已被用于天文自适应光学和光学度量等领域。在这些领域使用时都假设入射波前光强均匀,但这种假设与曲率传感技术的基本原理不一致。利用傅里叶光学理论,给出了光强不均匀情况下曲率波前传感器的曲率信号解析式,并利用光强均匀和不均匀情况下的信号表达式对探测高斯光束时的信号误差进行了数值分析。结果表明：曲率波前传感器探测高斯光束时存在一定误差,相位分布为4阶Zernike多项式时,误差最大,且阶数越高,误差越小;分区平均曲率信号误差较小,一般在10％以下。     

光强非均匀分布对波前曲率传感器的影响

为了将波前曲率传感器用于涉及激光波前的领域,理论分析了非均匀光强入射条件下的曲率传感器测量信号。用菲涅耳衍射公式,数值计算了相位分布为前10阶泽尼克多项式,光强为高斯分布和正态随机分布闪烁的曲率传感器信号,并和相同相位分布,光强均匀情况下的传感器信号比较。分析表明光强非均匀分布给波前曲率传感器测量信号带来了一定的误差。光强高斯分布对散焦相差的曲率信号影响较大,信号百分比误差达到25%,对其他相差的曲率信号影响很小;对于有正态随机分布闪烁的光强分布,信号百分比误差与正态随机分布的均方差成线性关系。在一定条件下,波前曲率传感器也能够用于光强非均匀分布的领域。     

中心遮拦干涉图的圆泽尼克拟合对计算赛德尔像差的影响分析

从波像差的幂级数和圆泽尼克多项式展开理论入手,介绍了圆泽尼克多项式和赛德尔多项式之间的联系,理论上分析了圆泽尼克多项式在环域的相关性,着重讨论了以中心遮拦干涉图的圆泽尼克多项式拟合系数计算赛德尔像差系数的影响。对理论分析进行了实验验证,其结果与理论分析具有良好的一致性,并提出了一种简单直观的误差容限设定方法。研究表明,随着遮拦比的增加,赛德尔系数误差增加,其变化规律和被测元件的像差类型和大小有关。当遮拦比达到某一特定的阈值时,误差曲线将产生较大的变化,为了获得较准确的赛德尔系数,圆泽尼克拟合时应选择适当的阶数;当遮拦比继续增加时,为了计算出准确的赛德尔系数,拟合时应选择环泽尼克多项式。此外,遮拦比对赛德尔系数中畸变、像散的影响较弱,对彗差、场曲、球差的影响较强。     

线性相位反演传感器与哈特曼传感器的实验研究对比

为了进一步分析线性相位反演波前传感器的性能,搭建了基于线性相位反演测量方法的波前传感器的实验装置.针对各种波前随机像差,同时用线性相位波前传感器和哈特曼波前传感器进行测量和复原,将复原结果进行对比.分析了不同的探测分辨力和不同泽尼克复原阶数对线性相位反演传感器复原结果的影响.分析了靶面分辨力,合理的靶面大小对复原精度是有利的,肯定了线性相位反演波前传感器可以用较少的探测单元实现相似精度的测量,采样靶面像素为8 pixel×8 pixel时,误差系数仍很小.利用对随机像差片进行不同阶数的复原,线性相位反演波前传感器的复原残差的误差率基本都在0.25以下,能对前35阶像差进行比较精确的复原.     

哈特曼夏克传感器的泽尼克模式波前复原误差

利用哈特曼－夏克传感器测量圆孔径内波像差时，通常使用泽尼模式复原算法。推导了一般情况下哈特曼－夏克传感器泽尼克模式波前复原误差的计算公式。用哈特曼－夏克传感器测量一个像差板的随机静态像差，通过与ZYGO干涉仪的测量结果比较，得到不同泽尼克模式复原阶数下的波前复原误差的实验结果，并与理论计算结果进行了对比。     

微加工薄膜变形镜特性分析

 借助测量微加工薄膜变形镜驱动器的面形影响函数，分析了驱动器的电压-位移函数和驱动器之间的线性叠加性;通过对连续面形变形镜拟合像差的理论分析和实验研究，建立了微加工薄膜变形镜电压解耦模型。分析了对前36阶Zernike模式的拟合残差和拟合能力，指出微加工薄膜变形镜仅可用来拟合低级像差并且有较大的拟合能力和较小的拟合残差，而不能拟合高级像差。     

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。     

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.