变形镜像差拟合能力的有限元仿真

为了研究变形镜对于Zernike多项式像差模式的拟合能力,利用有限元仿真方法,建立了两种不同单元排布方式的变形镜有限元模型.通过给促动器施加理论位移,进行了仿真分析.结果指出了不同的促动器排布方式与像差拟合能力之间的关系,同时表明57点促动器密布的排列方式已经能校正像差到λ/20甚至更小,验证了促动器对变形镜"印透效应"等的影响.     

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。     

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。     

20单元双压电片变形镜对Zernike像差空间拟合能力的实验研究

利用20单元双压电片变形镜和13×13阵列哈特曼波前传感器所构成的闭环自适应光学系统,实验测试了双压电片变形镜对3～20项静态Zernike像差的空间校正能力,并将实验结果与仿真计算结果进行了对比.最后分析了哈特曼传感器与双压电片变形镜之间的对准误差对实验结果的影响.研究表明,除了少数几项外,双压电片变形镜对3～20项Zernike像差的拟合误差都小于0.5,各项Zernike仿真和实验结果之差平均小于0.1.计算表明,与严格对准的理想情况相比,双压电片变形镜对3～20项Zernike像差中大多数项的拟合误差都随着失配程度的增加而增大,对准精度对于高阶像差拟合效果的影响尤其严重.     

光刻物镜中主动透镜的变形和像差特性

高精度光刻投影物镜在工作过程中吸收激光能量产生热像差,在离轴照明模式(如偶极照明)下,热像散显著且随时间变化,传统的被动光学方法无法补偿此类像差。提出在折射式光刻投影物镜系统中使用主动光学的方法,通过力促动器作用在透镜上使镜片变形以补偿初阶热像散。采用有限元分析方法,分析了简化的折射平板在促动力作用下的变形特点和像差特性;用几何光学理论近似论证了该补偿方案的可行性,并且分析了促动器分布、促动力大小、促动器与平板接触区域尺寸以及支撑结构对平板变形的影响。结果表明,在优化的支撑结构下,主动平板可以较好地补偿系统初阶热像散和初阶四叶像差,为光刻系统热像差的补偿提供了一个思路。     

光束旋转90°多程放大系统的波前误差校正

光束通过神光-Ⅲ原型装置四程放大系统发生了90°旋转和扩束。在四程放大系统腔镜处放置变形镜校正系统像差是一种新的自适应光学方案，推导出被校正像差与变形镜面形之间的数学关系。理论推导表明，在扩束比大于1的前提下，腔镜处变形镜可以校正系统输出的任意类型的像差，且变形镜对应的面形唯一。理论分析和计算仿真说明该方案的校正能力与像差类型和扩束比有关，扩束比增大将增强变形镜校正像散的能力，但系统旋光消像散的能力也将减弱。     

校正低阶像差的9点促动变形镜——设计与实验

设计一有效口径为120mm的连续镜面、分立促动器的变形反射镜并进行了检测实验。以产生离焦、像散和彗差为目标,对变形镜的各项参数进行了优化,优化后的变形镜支撑有9个促动器和3个固定支撑点。固定点用于实现变形镜的定位,促动器用于镜面面形的控制。促动器采用了直线步进电机配合弹簧的结构,将电机的步进位移转换为力,在一定的线性范围内实现高精度的力促动。变形镜的检测设备采用了4D动态干涉仪,经响应函数的确定、校正力的求解和施加以及镜面再检测的步骤后,得到的实验结果表明变形镜能够产生高精度离焦、像散和彗差,且具有较大的动态范围。     

基于近红外光谱的人眼像差校正系统中变形镜性能对比研究

对比分析了基于近红外光谱的人眼像差校正系统中两种微机械薄膜变形镜(OKO37单元和BMC140单元)的结构特征和空间特性,着重对变形镜的影响函数进行了主成分研究,建立了变形镜电压控制模型,并通过调整参数d确定变形镜最优控制模式。最后对Zernike单位模式波前像差和Thibos模式人眼波前像差进行拟合仿真实验,结果表明BMC140单元变形镜对Zernike各阶模式的拟合能力均为OKO37单元变形镜的2倍以上。对RMS均值为0.683λ(λ=0.785 μm)的Thibos模式人眼像差,BMC变形镜校正后残余像差RMS值为0.063λ,达到了光学系统的衍射极限(λ/14)。而OKO变形镜由于受相邻电极交连值大、电极分布密度小等因素的影响,其校正能力不及BMC变形镜,残余像差RMS值为0.168λ。本方法也可用于其他种类变形镜的性能评估。     

双压电片变形镜像差校正能力

利用实测影响函数,通过数值仿真分析了有效孔径、光束入射角度对于20单元双压电片变形镜像差校正能力的影响。仿真结果表明:有效孔径为16 mm时,变形镜对于各阶像差的校正能力较好;而随着光束入射到变形镜角度的增大,变形镜对于像差的校正精度与校正幅度都会出现下降,但是如果能够将入射角控制在25以内,入射角度对变形镜的像差校正能力影响不大。     

带边缘驱动的214单元单压电变形镜仿真与实验

为了提高用于天文自适应光学系统的单压电变形镜的校正能力,提出了一种直径为75 mm且包含214个单元的带边缘驱动的单压电变形镜,单压电变形镜的边缘由数个压电堆栈执行器支撑.首先,通过有限元方法对变形镜进行仿真建模,分析比较三点、六点能动支撑对变形镜性能的影响.之后制备了三点、六点边缘驱动的变形镜样机.最后,利用波前传感器测试了边缘执行器对低阶像差的校正能力.实验结果表明:在0~100 V电压下,三点能动支撑与六点能动支撑变形镜均可重构大于12μm的倾斜像差,对应的归一化残余误差小于0.06,六点致动对像散和三叶草像差也具有较好的校正能力,证明边缘执行器可提高单压电变形镜的校正能力.     

水冷式离焦变形镜技术研究

根据非稳腔薄片激光器腔内离焦的特点和主动校正的应用需求,针对性地设计离焦变形镜,对激光器腔内离焦进行实时补偿。采用压电陶瓷作为驱动器,圆形镜面圆心处设置1个驱动器,圆周上均布4个驱动器的5通道布局模式,仿真分析了筋板厚度和镜片厚度对离焦的校正效果影响,在优化设计的基础上研制出水冷式离焦变形镜,其静态面形PV值为0.34 m,波前动态范围为16 m。在离焦变形镜和二维变形镜组合模式下进行了薄片激光器强光主动光学校正试验,谐振腔腔内像差PV值从6.76减小到1.44,光束质量从19.5提高到6.5,有效地改善了输出光束质量,验证了离焦变形镜对非稳腔薄片激光器离焦校正的有效性和实用性。     

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。     

变形镜驱动器位置偏差对低频相位拟合能力的影响

基于最小二乘法,数值分析了变形镜驱动器位置偏差与驱动器排列方式、数量及交连值等对变形镜相位拟合效果的影响。研究结果表明:对于随机产生的低频相位,在变形镜驱动器中心位置引入位置偏差后,方形排列变形镜的抗扰动能力优于三角排列方式;驱动器单元数越多,变形镜抗扰动能力也越强;交连值在一定范围增加时,变形镜的抗扰动能力随之增强。     

Optimum deformable mirror modes for sensorless adaptive optics

Wavefront sensorless adaptive optics schemes rely upon the accurate generation of aberration modes by the adaptive element, usually a deformable mirror. Analytic functions are often used for representation of the aberrations in these systems. Such functions cannot be perfectly reproduced by deformable mirrors and the approximation errors can affect the aberration correction procedure. We derive alternative modal basis sets directly from the actuator influence functions, thus avoiding the approximation errors. We investigate how the choice of aberration modes affects the performance of a sensorless adaptive imaging system. The new modes are found to be most advantageous for deformable mirrors with a small number of actuators.     

一种光学仪器镜面面形的处理方法

光学镜面表面变形包含刚体位移和表面畸变,其中表面畸变是影响成像质量的主要因素,因此需去除刚体位移,分析表面畸变。通过坐标变换生成一个新的理论镜面,用该镜面拟合变形镜面,用拟合镜面与变形镜面轴向差值计算出表面畸变的RMS值及PV值。实例计算表明该算法拟合精度较高,适用于抛物面、球面镜在支撑和装夹下的镜面面形精度分析。     

长条形镜面面形拟合技术研究

为了解决长条形镜面面形拟合中各项不正交,无法在调整中利用像差指导计算机辅助装调的问题,本文建立了一套合理的拟合模型。该模型以矩阵求解正交化Zernike多项式系数为基础,将离散的数据点作为定义域,对已选取的Zernike项进行定义域内正交化计算,并以获得的各正交项为基底,实现对长条形镜面及其他异形光学镜面的正交化多项式拟合求解。进而确定在干涉检测中加工误差与装调误差的分离,为光学镜面的最终面形收敛提供保障。根据本文实验结果,对一口径600 mm×260 mm,PV与RMS值分别为5. 889λ及1. 002λ的长条形光学镜面进行拟合,利用Metropro去像散后,面形未得到收敛,PV与RMS值分别变为7. 448λ及1. 725λ。而采用本文算法处理后,其PV与RMS值分别收敛为4. 666λ及0. 679λ,验证了本文方法对于长条形镜面拟合的正确性。     

能动薄主镜技术模拟研究

利用有限元法对模拟能动薄主镜的两块变形反射镜拟合象差模式的能力进行计算，并进行了象差拟合实验，计算结果与实验结果相符．     

Aberration analysis of electron mirrors by a differential algebraic method

A differential algebraic (DA) method has been developed for the aberration analysis of electron mirrors. Since large ray slopes occur near the turning points in mirrors, the axial position is no longer suitable as the independent variable and the electron trajectory equation used in conventional lens theory is no longer feasible. A DA solution of the electron motion equation, wherein a single DA ray trace is performed on a non-standard extension of real number space called _nD_v, enables the aberrations of a mirror system to be obtained, in principle up to arbitrary order n, and with very high accuracy, due to the remarkable algebraic properties of _nD_v. With the DA method, the enormous effort to derive explicit formulae for the aberration coefficients of electron mirrors is avoided. A software package MIRROR_DA has been developed for the aberration analysis of electron mirrors, based on the DA method. Two examples of electron mirrors are presented. For the first example, for which the electrostatic and magnetic fields are represented by analytical models, the results computed with MIRROR_DA were shown to be in good agreement with those extracted by direct ray tracing, with relative deviations of less than 0.065% for all the primary aberration coefficients. The second example consists of a real magnetic lens and electrostatic mirror, with numerically computed fields, and from the results of MIRROR_DA, the spherical aberration coefficient C_s3 is almost cancelled out because of the correction effect of the mirror. The MIRROR_DA software is a novel, effective and precise tool for the aberration analysis of electron mirrors, capable of handling realistic and complicated systems of electron lenses and electron mirrors.