Schmidt棱镜偏振像差对成像质量的影响EI北大核心CSCD

为了分析Schmidt棱镜偏振像差在自然光成像系统中对成像质量的影响,以线偏振光矢量衍射光强分布为基础,利用两种非相干叠加积分模型,获得了自然光通过Schmidt棱镜后完全相同的衍射光强分布关系。通过这个关系式分析得知,自然光经过屋脊棱镜的偏振像差表现为衍射光斑的对称分裂。对分裂导致的像面中心亮度比、分辨率以及所提出的像面变形度等像质评价参数进行了分析计算。结果表明,Schmidt棱镜的成像质量受到其偏振像差的影响严重。Jones矩阵因子B作为棱镜的结构特性参数,影响并决定棱镜的成像质量。B因子的大小就是Schmidt棱镜偏振像差的大小。理论分析及实验结果均表明,B=0为校正Schmidt棱镜偏振像差的一个条件。     

光学系统的偏振像差分析

偏振像差是影响光学系统性能的重要因素之一,尤其对偏振有严格要求的光学系统来说更是如此。论述了偏振像差的理论和偏振光线追迹的方法,并对旋转对称光学系统、倾斜偏轴光学系统的偏振像差进行了分析,指出了薄膜设计对偏振像差所产生的重要影响。介绍了提高光学系统偏振精度的几个方法,包括尽可能的减小入射角、薄膜设计的优化和像差之间的相互平衡。     

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。     

NA1.35投影光刻光学系统偏振像差的优化

为了实现NA1.35投影光刻光学系统高质量成像，在设计过程中除了控制波像差，还需进一步优化光学系统的偏振像差。利用Jones光瞳和物理光瞳表达了NA1.35投影光刻光学系统的偏振像差，并用二向衰减量与延迟量分析了光学系统偏振像差的大小；根据光线入射到不同光学面上最大入射角度的不同，为每个光学面设计相应的膜系以优化光学系统的偏振像差。相比于采用常规膜系，膜系优化后NA1.35投影光刻光学系统的二向衰减量和延迟量分别减小到了0.021 8、0.057 2 rad，即减小了光学系统的偏振像差。利用Prolith光刻仿真软件，分别对采用常规膜系和优化膜系的NA1.35投影光刻光学系统进行曝光性能仿真，结果显示:膜系优化后光学系统的成像对比度提高了4.4%，证明了NA1.35投影光刻光学系统偏振像差优化方法的有效性。     

无遮拦离轴天文望远镜偏振像差分析及其对光学椭率的影响

随着天文探测水平的提高,偏振像差对天文望远镜成像质量的影响逐渐凸显。基于偏振光线追迹,分析了一种用于探测宇宙弱引力透镜效应的无遮拦离轴天文望远镜的偏振像差,得到了该望远镜的琼斯瞳、振幅响应矩阵以及望远镜中各个反射镜的二向衰减和相位延迟分布特性。计算发现偏振像差会影响该望远镜的成像对比度,同时还会改变其点扩展函数的空间分布。计算了偏振像差对望远镜光学椭率的影响,结果表明偏振像差会导致该望远镜光学椭率在全视场范围内发生不同程度的变化,最大改变量为7.5×10~(-3),平均改变量为2.7×10~(-3)。在视场[-0.0487°,0.155°]附近,偏振像差使得该望远镜光学椭率最大插值误差由1.2×10~(-4)增大为1.1×10~(-3)。本文研究结果表明,对于探测弱引力透镜效应等要求超高成像质量的天文望远镜,偏振像差不可忽略,需要进行优化设计。     

部分偏振光通过透镜时的偏振像差分析

本文定量推导了轴上物点发出的部分偏振光通过透镜时其偏振度、偏振分量方位角和椭率角与透镜参数和入射光参量间的关系。对已知参数的透镜进行了定量计算，表明处于一定偏振状态的部分偏振光经透镜后其偏振度、偏振分量方位角和椭率角在出射光束截面上呈一定分布，产生偏振像差。给出了部分偏振光基本参量变化的数量级。指出在高精度光学测量中为避免透镜偏振像差影响，应尽可能减小光束半径和发散角。     

低轨空间目标地基偏振成像系统偏振定标方法

针对地基大口径望远镜的机上自适应光学系统构建的低轨空间目标偏振成像系统,提出一种基于非偏振标准星和机上起偏装置的宽带偏振定标方法。该方法以非偏振标准星作为光源,并在望远镜系统的一次像面处加入起偏装置对入射光的偏振态进行调制,再结合基于非线性最小二乘拟合的偏振定标方法分两步对整个偏振成像系统进行宽带偏振定标。为验证该偏振定标方法的效果,利用Matlab软件基于相干矩阵和偏振追迹构建了相应的模型进行仿真分析,仿真结果表明该偏振定标方法可以有效减小望远镜系统偏振效应对偏振探测准确性的影响,并且偏振定标元件的初始角度误差在±5°范围内时对偏振定标准确性的影响极小。     

星载车尔尼-特纳型成像光谱仪像差校正的研究

为克服传统的车尔尼-特纳型光谱仪像差较大、空间分辨率低等缺点,提出了一种星载车尔尼-特纳型成像光谱仪像差校正方法.具体分析了像差校正的原理和方法,利用这种方法设计了视场角为2.3°,焦距为114.18 mm,F数为3.81,工作波段为540～850 nm星载车尔尼-特纳型成像光谱仪光学系统,运用光学设计软件Zemax对成像光谱仪总的光学系统进行光线追迹和优化,并对设计结果进行分析.结果表明,该系统的像差得到充分校正,全视场调制传递函数值在540～850 nm波段达0.58以上,完全满足设计指标要求,也证明了所提出的像差校正方法的可行性.     

基于楔板型分束镜的望远镜系统优化设计北大核心CSCD

研制基于楔板型分束镜的可见-红外光同步成像望远镜系统,通过优化设计分束镜楔角,抑制反射可见光鬼像产生,校正透射红外波段像差,实现对可见光波段与红外波段同时成像。对望远镜系统进行像质检测,主次镜系统RMS为0.093λ(λ=6328nm),可见光支路RMS达到0.120λ,红外光路成像质量满足要求。该系统采用卡塞格林共光路,用楔形板实现对可见光到中红外波段光线同步成像,使得宽波段望远镜设计更加轻便的同时提升装置成像性能。     

反射式旋转对称光学系统中的偏振像差分析

为了控制反射式旋转对称光学系统中的偏振效应,对该类系统中的偏振像差进行了分析。在偏振像差理论的基础上,通过偏振光线追迹的方法,导出反射式旋转对称光学系统的偏振像差的计算公式,提出了反射界面产生的偏振像差的影响因子,对影响其偏振像差的因素进行了分析。实例分析结果表明,对于具有宽光谱、大入射角、大视场等特点的反射式旋转对称光学系统,要想提高其光学系统的性能,必须控制光学系统的偏振像差。提出尽可能减小入射角的大小,并通过薄膜设计减小偏振分离来降低系统中的偏振效应,是控制反射式旋转对称光学系统中的偏振像差的有效措施。     

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。     

光学系统的偏振像差研究

综合论述了偏振像差的理论,给出了具体的例子,指出偏振是影响光学系统性能的一个重要因素,要想提高光学系统的性能,必须控制光学系统的偏振像差,而且光学系统设计必须与光学薄膜的设计结合起来。     

光学薄膜诱导偏振像差对大数值孔径光学系统聚焦特性的影响

大数值孔径光学系统表面光线的入射角较大, 会导致薄膜的偏振分离, 诱发偏振像差, 影响光学系统的聚焦特性. 本文利用矢量光衍射理论, 建立了光学薄膜各参量与光学系统聚焦光场的模型. 利用该模型分析了线偏振光入射时, 光学薄膜对光学系统聚焦光斑的扰动. 在此基础上, 探讨了应用了不同约束条件下得到的光学薄膜对最终聚焦光场的影响, 确定了减小薄膜扰动光学系统光斑的设计方法, 即额外添加透射率差和位相差的约束条件, 并且适当增加位相差约束的权重. 利用该方法优化设计的薄膜, 相比于普通减反膜而言, 对系统聚焦光场中心强度的提升可达约12.5%.     

界面反射偏振像差分析

对轴外点发出的一束光线经界面反射形成的偏振像差进行了研究,并对两种具体情况进行了讨论.     

激光雷达偏振成像遥感的望远镜系统偏振分析

激光雷达偏振成像主要是利用不同目标散射光偏振度的差异来实现对目标成像的。由于大部分光学系统都存在消偏振效应,因此系统自身的消偏振问题在成像过程中必须考虑。根据近轴理论和消像差的要求设计出卡塞格伦望远镜的几何结构,应用琼斯理论、光波的相干矩阵和菲涅耳反射理论对空气和卡塞格伦望远镜的交界面进行了消偏振分析,并使用Matlab软件仿真了卡塞格伦望远镜在镀金属反射膜前后,反射光偏振度在望远镜径向直径上各点的变化曲线。根据仿真结果可以看出偏振成像系统中使用的卡塞格伦望远镜在镀铝金属反射膜时其消偏振效应在成像过程中可以忽略。     

基于差分空间像主成分分析的偏振像差检测方法

提出了一种原位的光刻机投影物镜偏振像差检测方法。定义一种新的偏振像差表征方法,推导了3对正交偏振态照明下空间像之差与偏振像差3个泡利项之间的互相关关系,并据此对交替相移掩模的3组差分空间像进行主成分分析进而求解偏振像差的各项泡利泽尼克系数。从理论上揭示了各偏振像差项在成像中的耦合规律,从而在测量原理上解决各项耦合问题,可同时测量偏振像差所有泡利项的前37阶泽尼克系数。在典型的深紫外光刻仿真条件下对所提方法进行随机偏振像差测试,其中3组泡利项的实部和虚部共6×37阶泡利泽尼克系数误差的标准差均在10~(-3)量级。测试结果验证了本方法的正确性和可行性。     

星载光栅成像光谱仪的退偏器设计与分析

星载光栅成像光谱仪中的光栅通常有着强烈的偏振响应,为保证成像光谱仪测量结果的准确性,加入退偏器是消除光学系统的偏振响应的一种常用方法.对水平-垂直(H-V)型石英退偏器的退偏原理进行了理论分析,根据成像光谱仪的偏振响应特点,采用一片H-V型石英退偏器即可实现光谱仪的退偏要求.重点分析了退偏器引入的双像对成像光谱仪像质的影响,分析的结果表明,加入退偏器后,仪器偏振响应敏感度小于1%,MTF下降小于1.5%,像质满足使用要求,完全可应用于星载光栅成像光谱仪.     

基于双波前传感器自适应光学技术的太阳光栅光谱仪

为了研究不同太阳大气高度的热力学特性,具有良好成像质量的成像型光栅光谱仪是实现这个目标的重要仪器。然而作为地基式太阳望远镜重要的终端仪器之一,光栅光谱仪的光谱成像性能不可避免的会受到动态波前像差和系统静态像差的影响。动态波前像差常通过在太阳望远镜系统中集成自适应光学系统进行补偿。针对光学系统中的由装调和光学元件加工等引起的静态波前像差,提出了一种基于自适应光学技术校正光栅光谱仪中静态波前像差的方法,并进行了数值模拟仿真和实验验证。实验结果表明,校正后系统的残余波前像差RMS≈0.025λ,此时波前像差对光谱分辨率和能量利用率的影响可忽略,提高了光栅光谱仪的光谱成像质量,证明了所提出的方法的有效性。此外它具有降低光学系统装调精度和光学元件加工精度要求的优点。     

基于像差校正的望远系统装调方法研究

为了保证望远镜装配完成后的成像质量和其他关键指标,提出基于像差校正的望远镜装调方法。首先利用Zemax建立光学系统模型,模拟光学零件失调状态,分析各零件的每种失调状态对各类像差的影响情况,进而定量计算光学零件对系统像差的敏感矩阵,得出系统失调特性,拟定最佳装调方案。在此理论分析的指导下,进行基于星点检验法的装调实验,装调后仪器各项指标达到要求,分辨率优于技术指标要求7.5,验证了基于像差校正的光学系统装调方案的可行性。     

偏振双向衰减对光学成像系统像质影响的矢量平面波谱理论分析

偏振双向衰减(diattenuation)是指偏振元件引入的光场传播过程中表征电矢量的两个正交偏振态的振幅变化特性.在大部分有关偏振像差的讨论中,聚焦光场偏振态的振幅变化对其分布的影响较小而不被重视.但在一些大相对孔径光学系统中,对于分束器、光调制器等有复杂平面介质结构的低透过率光学元件而言,引入的偏振相关的振幅调制相对大得多.本文依据矢量平面波谱理论,建立了笛卡尔坐标系下的理想光学成像系统的矢量光学模型,验证了与德拜矢量衍射积分的一致性.在线偏振光入射的条件下,对在汇聚光路中使用的光学元件的偏振双向衰减特性对成像质量的影响进行理论研究.结果表明,在调制传递函数的低频率处(v0.2NA/λ),这种影响是可以忽略的;随着空间频率的增加,光学元件的偏振双向衰减特性对成像系统调制传递函数的影响逐渐变大.若要求调制传递函数的数值不低于衍射极限的90%,中频处(0.2NA/λv0.8NA/λ),s光和p光的透射/反射系数之比至少需要控制在[0.63,1.6]的范围内;而当v0.8NA/λ时,则需要控制在[0.9,1.11]的范围内.随着光学系统光轴与光学分界面法向的倾角增加,容差范围有所放宽.