一种测量光栅常数的新方法

一种测量光栅常数的新方法华文深（华南理工大学应用物理系广州５１０６４１）一、测量原理如图１所示，当用点光源或线光源产生的发散光束照射光栅时，将产生Ｔａｌｂｏｔ效应［１－３］．即在某些位置上将得到光栅的衍射自成像，这些像相当于光栅的几何投影的放大像，而...     

光谱仪中球面聚焦反射镜和凹面全息光栅像差互补的一体化设计

为了兼顾光源聚焦镜引入的像差对光谱仪器分辨率和信噪比的影响,提出了消像差凹面全息光栅和聚焦反射镜一体化设计方法。建立了包含聚焦镜和凹面全息光栅的像差分析物理模型,推导了像差系数表达式,构造了像差校正目标函数,经优化得到设计结果。在一体化设计中,针对臂长为170.3mm、基底曲率半径为170.2mm的单色仪光栅,通过反向增大全息光栅像散项,补偿聚焦镜引入的轴外像差。与传统设计方法相比,该方法的像面点列图的均方根尺寸在子午方向由86μm减小到81μm,弧矢方向由765μm减小到167μm,提高了系统的消像差能力,为凹面光栅光谱仪器的光学系统设计提供了新的思路。     

Zemax软件在取样光栅对设计中的应用

 光束取样光栅(BSG)是一种重要的用于光束取样诊断的衍射光学元件。以2块取样光栅代替单块光栅作为初始光学结构,运用Zemax光学设计软件采用分步优化的方法设计了具有消像差功能的光栅对结构,此方法比采用Matlab语言编程计算的方法消像差更快捷、更灵活,同时可以验证程序计算结果的正确性。设计结果显示：再现的会聚光经2块光栅衍射后在像平面上点列图中的均方根半径仅为0.506μm,单块取样光栅的均方根半径则为7.284μm,说明2块光栅能够做到像差互相矫正,其像质明显好于单块取样光栅。另外,设计出的双光栅光学系统,可进行远场光斑质量检测,为激光束性能的在线诊断提供了行之有效的技术支持。     

泽尼克多项式校正全息阵列光镊像差的实验研究

像差会影响光镊对粒子的捕获效果. 全息阵列光镊中, 像差不仅来自光学元件, 由特定算法设计的光阱相位片也会在光路中引入像差. 本文通过液晶空间光调制器加载泽尼克多项式相位图, 对全息阵列光镊中由光栅透镜组型算法引起的像差进行校正. 结果显示: 利用三阶泽尼克多项式可有效消除光路中由光栅透镜组型算法引 起的慧差, 使得捕获2 μm聚苯乙烯小球的阵列光阱刚度提高了约40%; 对比不同项的像差校正结果发现, 全息阵列光镊中由算法引起的慧差 与光学元件引起的像差一样, 也会对阵列光阱的捕获效果产生较大影响; 同时根据一阶像差校正结果可得光栅透镜 组型算法对于一阶泽尼克像差具有鲁棒性. 实验结果表明, 对全息阵列光镊中由 算法引起的像差进行校正, 对于提高光阱的捕获效果和深化对算法特性的认识都具有重要意义.     

基于条纹投影的显微镜自动对焦研究

自动对焦技术是薄膜晶体管液晶面板(TFT-LCD)检测中非常重要的一环。针对TFT-LCD液晶面板的检测中需要快速准确地对焦到液晶面板被测面的问题,提出一种可自动对焦的显微镜系统。将数字光栅投影到物面上,先通过分光棱镜将光分成两路,一路被面阵CCD接收,另一路通过分光棱镜和反射镜将光栅的像分成两路,分别成像在线阵CCD的靶面上。通过线阵CCD上两个光栅图清晰度的对比实现离焦方向和离焦量的判断,使用微位移平台移动物镜,实现显微镜的自动对焦。本研究对自动对焦数字光栅的影响因素进行分析,并采用变周期数字光栅进行对焦。     

轻小型中阶梯光栅光谱仪光学设计及性能分析

中阶梯光栅光谱仪采用中阶梯光栅与棱镜交叉色散结构,在像面形成二维光谱。影响中阶梯光栅光谱仪分辨率因素较多。分析了针孔直径、光栅参数、棱镜参数、CCD像素尺寸和像差对系统分辨率的影响,得到针孔、光栅、CCD是影响系统分辨率的主要因素,并推导三者在确定系统实际分辨率时相互制约的关系,从而设计一种高分辨率轻小型中阶梯光栅光谱仪。结果表明,轻小型中阶梯光栅光谱仪像差得到充分校正,分辨率达到设计要求。通过对拍摄的汞灯谱图进行还原与标定,实际分辨率为0.038 nm,达到目标值(0.05@ 200 nm)的要求。而普通的光栅光谱仪要达到这样的分辨率,其焦距是500 mm左右,充分体现轻小型的优势。     

星载宽波段远紫外高光谱成像仪光学系统设计

根据高层大气遥感的应用要求,设计了一个全反射式的远紫外高光谱成像仪光学系统,该系统由扫描镜、离轴抛物面望远镜和超环面光栅光谱仪组成。提出了一种凹面超环面光栅光谱仪像差校正方法,根据凹面光栅的几何像差理论求解初始结构参数,然后利用光学设计软件Zemax进行优化,完成了超环面光栅光谱仪的设计,在工作波段内,点列图半径的方均根均小于16 μm,实现了宽波段像差同时校正,满足光谱分辨率0.6 nm的指标要求,也证明了提出的像差校正方法是可行的。运用光学设计软件Zemax对远紫外高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,各波长的光学传递函数均达到0.8以上,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,适合空间遥感应用。     

一种新的非球面零朗奇检测法

提出一种新的零朗奇检测法用于测量大口径非球面镜的面形。利用光线追迹和正弦条纹的相位信息设计补偿正弦光栅。使用透射液晶显示屏显示补偿正弦光栅并作为相移装置。一个离轴点光源发出的光被镜面反射后通过补偿正弦光栅,摄像机记录携带镜面偏差信息的相移条纹图。通过对相移条纹图的分析确定被测镜面的实际横向像差以及对应的理想横向像差,然后基于朗奇检测的几何原理得到被测镜面的偏差梯度,对其积分获得被测镜面的偏差,进而重建被测镜面的三维面形。与传统的零朗奇检测法相比,这种方法可以消除补偿光栅上每个条纹带边缘的锯齿形状,而且可以获得镜面上足够多的待测点信息。计算机模拟和初步实验验证了该方法的可行性。     

基于数字闪耀光栅的位相全息图光电再现优化

针对利用液晶空间光调制器（LC-SLM）进行全息图光电再现过程中,再现像面存在多级衍射像造成单一像能量利用率低的问题,提出了一种在位相全息图中加载数字闪耀光栅的方法,以提高全息图光电再现中单一衍射像的衍射效率.分析了闪耀光栅作为衍射光学元件的特性及其对光波进行位相调制的原理,并阐述了在LC-SLM中加载数字闪耀光栅对位相全息图光电再现时像面能量分布的影响.搭建了基于LC-SLM的位相全息图光电再现实验系统.理论分析表明：在其他条件不变的情况下,加载竖直（或水平）槽向周期为2 pixels的数字闪耀光栅可使 关键词： 全息光电再现 位相全息图 数字闪耀光栅 液晶空间光调制器     

基于遗传算法的全息光栅逆向优化设计

光栅是单色仪的核心器件,光栅的像差校正能力对单色仪性能有着决定性作用.本文研究了基于光线追迹点列图数值分析的遗传算法实现,建立了针对全息光栅成像质量的评价函数,并利用遗传算法实现了全息光栅的优化设计.结果表明,利用遗传算法可以简化求解过程,降低最优参量的误差,并克服局部极值的问题,明显优于阻尼最小二乘法.     

基于遗传算法的全息光栅逆向优化设计

光栅是单色仪的核心器件,光栅的像差校正能力对单色仪性能有着决定性作用.本文研究了基于光线追迹点列图数值分析的遗传算法实现,建立了针对全息光栅成像质量的评价函数,并利用遗传算法实现了全息光栅的优化设计.结果表明,利用遗传算法可以简化求解过程,降低最优参量的误差,并克服局部极值的问题,明显优于阻尼最小二乘法.     

基于光纤多狭缝的亚像元光谱采样及复原

光栅光谱仪的分辨率与其光通量之间存在折衷的关系。亚像元-反卷积序列光谱图复原方法可以在不降低光通量的前提下提高其分辨率。为使该方法能够应用在采用阵列探测器的小型便携式光谱仪上,提出了一种光纤多狭缝的设计方法,以获取亚像元重建所必须的序列光谱图。该方案的主要优点是无需微动机构,没有显著的像差变化,有利于简化算法。     

全息曝光系统轴向调节误差对光栅衍射波像差的影响

光栅衍射波像差作为全息光栅重要的技术指标之一,直接影响光栅分辨率,其中曝光光学系统的调节误差是引起光栅衍射波像差的主要因素。采用q参数讨论了高斯光束在光栅曝光光学系统中的传播和变换,通过计算高斯光束经准直系统后的相位给出了叠栅条纹相位分布的解析表达式,由此系统分析了曝光系统调节误差与光栅衍射波像差的关系。理论分析结果表明:左右曝光光路准直系统的相对离焦对光栅衍射波像差的影响最为显著;相对离焦量相同时,光栅衍射波像差随曝光系统焦距的减小而逐渐增大;理论模拟的条纹分布与实验中获得的叠栅条纹能够很好吻合。     

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。     

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。     

扩展白光编码栅谱衍射干涉仪:理论

本文提出了一种新型的扩展白光光栅衍射干涉仪.系统中两块编码光栅用透镜互相成倒像,被测物置于其间并且也用透镜成像于观察屏上.物体的任一像点的强度决定于编码光栅傅里叶谱分布经过的相应的部分物体中的相位变化,由于色散从而得到带有彩色的干涉图.干涉形式可以用不同图案的编码栅来调换.系统用菲涅耳近似衍射理论进行了分析,导出了一般性结果,研究了编码栅形状,傅里叶变换谱和干涉形式之间的关系.最后给出了实验.     

浅议莫尔现象及应用

莫尔(moire)一词来自法文,含义为波动的,或起波纹.在日常生活中,当我们将两块窗纱叠在一起时形成一种不规则明暗相间的花纹,这就是莫尔条纹.现在,莫尔现象已广泛应用于科学研究和工程技术之中,莫尔条纹作为精密计量手段可用于长度,角度、振动等领域的测量.1莫尔条纹的形成将两块参数相近的透射光栅以小角度叠合,将产生放大的光栅.如图1和图2为两块光栅常数相同的光栅A和B,叠合后得到如图3所示的放大光栅即莫尔条纹.     

用傅里叶变换法测试平面衍射光栅的分辨特性

本文提出了测试平面衍射光栅的分辨特性的新方法,用干涉法测量光栅衍射的波阵面的相位,得出衍射波阵面的三维波面图,并用所取得的相位数据作傅里叶变换求得其在谱面上的光谱衍射斑——光谱线像的强度分布,并可据此确定半宽度值和分辨极限.文中叙述了这一新方法的优点、基本原理和实验方法,并给出应用这方法测量一批光栅所得结果中的两个例子,结果表明,与通常所用直接扫描光谱线法所测结果相符合.     

零像散宽波段平场全息凹面光栅的优化设计

平场全息凹面光栅的理想像面应为一平面,此时子午焦线与弧矢焦线均位于像面内且彼此重合,形成接近理想像点的光谱像。但子午焦线总是存在弯曲,只有弧矢焦线在满足一定条件的情况下可以成为直线。鉴于此,提出一种满足平场弧矢焦线条件的平场全息凹面光栅设计方法。利用光学设计软件ZEMAX研究了运用此方法设计的零像散光栅的成像特性,并与原有设计方法得到的结果进行比较。模拟结果显示,满足平场弧矢焦线条件的光栅能够达到与原有方法所设计光栅相当的光谱分辨率,而其全波段零像散特性使其拥有更加出色的弧矢方向聚焦性能,显著提高平场光谱仪的信噪比。     

基于正交光栅投影的快速调制度测量轮廓术

在共轴光学测量系统中,将水平光栅与竖直光栅沿着光轴方向相距一定距离垂直放置,被测物体放置在两个光栅成像面之间.利用同光轴方向放置的CCD采集一帧正交光栅像,进行傅里叶变换、滤波和逆傅里叶变换操作,分别得到对应水平条纹分量和竖直条纹分量的调制度图,通过计算其调制度比,实现对复杂物体的快速三维面形测量.在几何光学近似条件下,给出两个光栅投影像的光强表达式,讨论了水平光栅与竖直光栅间距和投影镜头光圈大小对测量结果的影响.对标准平面和复杂物体三维面形的快速测量结果表明,该方法能快速有效地测量恢复物体的三维信息.