激光器光学系统光机热集成分析方法

论述了光机热集成分析方法原理及接口多项式,并将其应用于某激光器光学系统进行光机热集成分析。该分析方法首先对光学系统进行热分析、结构有限元分析计算,获取激光辐照下光学元件表面的结构变形;其次,对有限元计算的光学元件变形结果数据进行Zernike面形拟合处理;最后将变形后的光学表面导入到通用光学设计分析软件,分析激光器光学系统变形后产生的各类光学像差。结果表明:利用集成分析方法能够分析光学元件产生热变形对激光系统成像质量造成的影响,为光学系统设计提供参考。     

像质检测用光学窗口的温度适应性设计与实验北大核心CSCD

为了在温度变化条件下对光电成像系统进行像质检测与评价,设计一种具有温度自适应功能的光学窗口。分析了温度变化对光学玻璃面形的影响,进行光学窗口的温度适应性光机结构设计,通过有限元分析与实测实验相结合的方法分析了温度变化对光学窗口面形的影响,验证了温度适应性设计的有效性。实验结果表明:常温20℃条件下,光学窗口波像差的PV值和RMS值分别为82.90 nm和6.96 nm;高温50℃条件下,波像差的PV值和RMS值分别为136.68 nm和14.55 nm;低温−40℃条件下,波像差的PV值和RMS值分别为183.51 nm和28.48 nm;高、低温环境下光学窗口的波像差与常温环境下结果对比的数值变化趋势与有限元分析结果具有较好的吻合性;在3种温度条件下光学窗口波像差的PV值均小于或接近(1/4)λ,且由于温度变化引起的光学窗口面形变化很小,设计的光学窗口具有较好的温度适应性。     

极紫外光刻物镜分组可视化界面设计优化

高数值孔径(NA)、大视场极紫外光刻物镜光学系统是实现22 nm及以下技术节点产业化光刻系统的关键部件。通过对光刻物镜系统结构的分析,利用可视化对其初始结构进行分组构造。并在此基础上采用一种渐近式NA方法获得了弦长为26 mm,宽2 mm的弧形视场内复合波像差优于均方根(RMS)为λ/50的物镜系统。借助Q型多项式,使物镜光学元件非球面度低于45μm,最大口径小于400 mm,全视场波像差优于0.027λRMS,畸变优于1.5 nm。     

米级口径经纬仪保护窗口镜面变形分析

为了精确分析外载荷作用下米级口径经纬仪保护窗口镜面变形,本文基于接触有限元理论建立了米级口径经纬仪保护窗口带摩擦接触的有限元分析模型,对比了线性刚性连接和非线性摩擦接触方法的差异。采用齐次坐标变换法去除刚体位移,得到米级口径经纬仪保护窗口镜面畸变数据,使用Zernike多项式作为光机集成分析的接口工具,并将Zernike多项式系数导入ZEMAX中,以波前像差RMS值衡量镜面变形对成像质量的影响,并与干涉仪检测结果进行比较。考虑摩擦接触条件得到的保护窗口镜面波前像差RMS值为38.095 nm、PV为205.027 nm,使用干涉仪检测得到的保护窗口镜面波前像差RMS值为40.626 nm、PV值为235.654 nm。实验结果表明,考虑摩擦接触条件的仿真实验与干涉仪检测实验的镜面波前像差RMS值偏差为6.23%,能更准确地反映米级口径保护窗口镜面变形。     

红外镜头的光机热集成分析研究

 为了使红外镜头能够在宽的温度范围内工作,在红外光学系统的设计时就要充分考虑热对光学性能的影响,并要进行光机热集成分析。论述了光机热集成分析方法及流程,并设计了一个焦距f=200 mm的冷光栏匹配的宽工作温度的红外镜头。建立了红外镜头的有限元模型并进行了热力学分析,对分析的镜面变形结果数据进行了处理,得到各镜片间隔和面形变化,代入光学软件得到了热环境对光学成像质量的影响。分析结果表明,对于-40℃~+60℃红外镜头的各个视场,16线对的调制传递函数都大于0.5,具有良好像质。所设计的红外镜头结构简单可行,能够满足设计要求。     

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。     

大口径折反射式光学系统的光机结合分析

大口径折反射式光学系统在空间遥感仪器中广泛应用,反射镜的支撑结构直接关系镜面面形变化从而影响光学遥感器的成像质量.建立了光学系统的光机结合分析方法,使得在设计阶段就能评测光学元件支撑结构是否满足要求,得到支撑结构对成像质量的影响的直观结果.这一方法也可用于光学系统的光机热结合分析.     

投影物镜小比率模型的计算机辅助装调

针对小比率模型光学系统光学元件数量较多,无法用每个补偿量去补偿对应失调量的问题,提出利用计算机辅助装调方法,通过建立系统的灵敏度矩阵找出偏心失调量和倾斜失调量的内在联系来缩小补偿量的选择范围。根据失调量敏感度的分析,提出了只用4个补偿量补偿系统波像差的想法,并对所选补偿参量的补偿效果进行仿真,以此近一步验证想法的可行性。光学系统初装完成后,将实际测得的系统波像差以36项Fringe Zernike多项式的形式代入灵敏度矩阵,计算得到补偿参量的补偿值和移动方向,用驱动器实现像质补偿。实验结果表明：系统波像差（RMS）由50.864 nm提高到25.993 nm,优于技术指标要求,证明了所选的4个补偿量的正确性和有效性。     

极紫外光刻系统物镜光学元件的支撑与分析

介绍了极紫外光刻系统物镜光学元件的支撑原理和支撑要求,分析了符合运动学支撑要求的物镜支撑结构和面形检测用支撑结构;针对支撑结构性能和支撑方案中关键问题进行了深入研究,并提出了相应的解决方案。最后建立了支撑结构的有限元模型,并在此基础上进行了重力场中的镜体变形分析和温度场作用下系统的热变形分析。分析结果表明,检测用支撑与实际用支撑两种结构在重力环境下支撑出的元件面形基本相同,面形相差0.0026nm(RMS);温控范围为0.05℃时,由机械结构热变形引起的镜体面形变化在0.001nm(RMS)量级。研究结果表明,运动学物镜元件支撑结构能够满足极紫外光刻系统对于物镜机械支撑结构的要求。     

一种用于光机热集成分析的新方法——干涉图插值法

Zernike多项式是光机热集成分析中实现光、机、热各分析软件之间数据传递的重要工具。许多光学元件表面形状并不满足Zernike多项式的正交性条件，使有限元分析不能精确拟合光学元件表面变形及变形产生的各项像差。讨论影响Zernike正交性的几个因素，详细介绍将有限元分析得到的光学表面变形数据导入光学分析软件的一种新方法——干涉图插值法。该方法避开Zernike多项式拟合，在去除镜面刚体位移后将镜面畸变精确地表示成干涉图数据，直接生成数据接口。     

线扫描激光雷达光路的光机热集成优化设计北大核心CSCD

发射透镜直接准直半导体激光光源方案能够使线扫描激光雷达结构更紧凑、成本更低,但是由于高功率半导体激光光源发热严重会导致光学元件热变形,从而导致探测器接收到的光功率急剧降低而不可探测。提出了一种30m探测距离的线扫描激光雷达光路的光机热集成优化设计方法。以预设工作温度40℃至80℃的中间温度60℃为初始条件,基于Zemax软件优化设计了发射透镜与接收透镜的光路系统,使工作温度为60℃时的光路系统光学性能最佳;使用有限元方法分析该光路与相应的机械结构随温度变化时光学元件热形变的情况,通过添加SiO2气凝胶作为隔热材料进行光路系统的机械结构优化。优化结果表明,采用光机热集成优化设计方法后,优化后的光路与机械结构在工作温度40℃至80℃范围内探测器接收到的光功率始终在10^-4w量级,相比仅仅使用Zemax软件优化设计发射透镜与接收透镜方法(探测器接收到的光功率10^-6~10^-4w)有了显著的提升。     

利用Offner光学系统进行图像恢复和光学检测

设计了一种Offner光学系统,用于基于相位差异技术的图像恢复和光学系统波像差的辅助检测。该Offner光学系统采用同轴抛物面反射镜作为Offner反射镜,以高速CCD相机和Shack—Hartmann波前探测器作为接收元件,能完好地消除复色光源在图像恢复过程中带来的色差;设计的RMS波像差小于a／50（A=632．8nm）,结构简单,容易实现。利用该系统分别以分辨率板和光纤光源为目标进行了图像恢复实验,经过恢复后的图像分辨率提高了19％。此外,利用该系统,采用相位差异算法解算了系统波像差,并与Shack—Hartmann波前探测器的测量结果进行了比较。比较显示两者的RMS波像差测量值相差5％,证明该系统同样能够进行光学波前检测。     

近红外多普勒差分干涉仪稳定性结构研究

针对现有结构无法满足大尺寸差分干涉仪稳定性固定，以星载近红外差分干涉仪稳定性结构为研究目标，优化选择光学材料实现实体差分干涉仪的热补偿，提高了光学元件温度稳定性；以支撑结构的最大结构应力和光机粘接面处最大剪切应力小于许用应力为优化目标，建立数学模型，优化设计支撑结构参数，调节组件基频，提高了组件的力学稳定性。有限元分析支撑结构最大应力65.56 MPa，小于材料的抗拉强度，光机粘接面最大剪切应力3.4 MPa；环境温度变化5℃，分光棱镜面形RMS最大变化量1.671 nm，热应力带来的干涉图畸变可忽略。力学振动试验前后，光学测试干涉条纹频率（50个条纹数）未发生变化，差分干涉仪结构满足星载力学环境条件。该方法也适用于棱镜式干涉仪稳定性支撑结构。     

旋转平行光管主镜背部柔性支撑设计与仿真分析

针对光学动态靶标进行光电跟踪光端机的跟踪精度的测试时,旋转的光电平行光管由于离心场的存在导致主镜面型误差过大的问题,提出了一种基于挠性梁减小旋转平行光管离心工况下主镜面型误差的方法。文章首先针对主镜支撑点径向位置最优布局进行求解,其次在Isight优化平台上对主镜背部支撑挠性梁的关键设计参数进行尺寸优化,最终利用Sigfit软件分析了离心工况下主镜面型误差。采用优化后的主镜支撑方案,反射镜在1.64g离心力作用下,主镜面型精度RMS优于0.03λ(λ=632.8nm),组件一阶固有频率为167Hz。采用4D干涉仪对平行光管的波像差进行检测,检测结果表明,平行光管光机系统的波像差RMS值优于0.067λ。经过仿真分析与检测实验证明,采用挠性支撑的旋转平行光管镜的动态刚度与面形精度满足光学动态靶标的应用要求。     

移动地面站宽温度跟瞄系统信标接收镜头

为了保证移动地面站光电跟瞄系统在野外复杂环境下具有稳定的跟踪精度,针对-20~40℃宽工作温度范围下信标接收镜头成像光斑弥散的问题,进行了光学系统与光机结构的设计,提出了一种以步进电机驱动补偿镜组的温度补偿方案。分析了极限温度条件下光学系统性能的改变以及不同温度补偿方案的效果,针对光电跟瞄系统的指标要求,设计了光机结构并进行了力学、光学性能的分析。分析结果表明,系统一阶模态为370 Hz;补偿镜组向前移动0.695 mm能够补偿-20℃时光学系统成像光斑的弥散,令中心视场光斑尺寸由73μm降为3.2μm,边缘视场光斑尺寸由77μm降为15.7μm;向后移动0.885 6 mm能够补偿40℃时成像光斑的弥散,令中心视场光斑尺寸由94μm降为3.9μm,边缘视场光斑尺寸由96μm降为21.8μm;使用ZYGO干涉仪对光学系统的像质进行检测,波像差RMS值(均方根值)为0.061λ(λ=632.8 nm),PV值(峰谷值)为0.466λ,能够满足跟瞄系统指标要求。     

以PV值为优化目标的光学系统支撑结构（英文）

光机系统中支撑结构与光学元件的接触位置、接触面积、接触应力及支撑结构的柔度是光学系统成像质量的重要影响因素,为了降低因垂直方向支撑引起的几何像差,以像差指数PV值为优化目标,对单个透镜接触支撑结构进行了拓扑优化设计。首先建立接触拓扑优化模型,以采用Signorini接触条件建立的刚性支撑单向接触中的线弹性结构为例,验证了接触拓扑优化模型的正确性。用透镜变形函数来描述透镜的像差指数PV值,将其作为拓扑模型的优化目标。采用SIMP方法描述拓扑优化设计变量,采用扩展后的拉格朗日算子求解接触条件。采用MMA优化算法求解拓扑优化模型的最优解。通过拓扑优化设计变量的最优解,定义了满足几何畸变要求的支撑结构的最优拓扑结构。结果表明,该方法可使透镜PV值降低14%,面形RMS值降低13.8%。同时搭建实验平台,对透镜PV值和RMS值进行测试,得到的最佳接触支撑结构的支持试验结果表明,平面反射镜表面PV值分别降低了60.4%和42.9%,面形RMS值分别降低了74.3%和38.9%,优化后的接触支撑结构有效地提高了高精度单透镜支架的精度,具有很大的实际应用潜力。     

光刻物镜中透镜高精度支撑结构的设计及分析

光刻投影物镜中透镜的面形精度是影响光学系统成像质量的关键因素之一。为实现透镜面形精度均方根(RMS)值优于2nm的高精度指标,提出一种轴向多点挠性支撑、径向三点可调式定位的光学透镜支撑结构。基于自重变形对支撑结构进行优化设计,深入分析在此支撑结构下自重和热载荷对透镜面形影响。结果表明,重力引起的透镜上表面面形RMS值为0.186nm,下表面面形RMS值为0.15nm。热载荷引起的上表面面形RMS值为0.55nm,下表面面形RMS值为0.54nm。采用这种透镜的支撑结构,能够满足光刻投影物镜中透镜的高精度面形要求。     

光致热效应的光机热集成分析方法

在光机热集成分析过程中,引入非序列光线追迹,分析复杂光源条件下光学系统内光致热效应,利用有限元分析方法求解光学元件温度场分布及表面面型变化,构建基于Zernike多项式的基底函数对梯度折射率场进行精确拟合,进而分析得到系统的光学性能。拟合过程中通过使用对Zernike多项式赋权值的方法避免了结果的非对称性。最后以大功率激光准直扩束镜为例,进行了系统的光机热集成分析,并给出分析结果,说明了该分析方法的有效性与通用性。     

含有双层衍射光学元件的中波/长波消热差光学系统的设计

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在(3.7~4.8) μm和(7.7~9.5) μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为200 mm,F#为2。采用像元数为320×256、间距为30 μm的制冷型探测器。该系统在空间频率17 lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.66和0.54;最大RMS半径小于11.702 μm;波前像差小于0.191 7λ;最大离焦量小于焦深;在-55℃~71℃范围内实现了无热化设计。入射到衍射面上的角度为0°~5.19°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为99.81%和97.36%。含有双层衍射光学元件的红外双波段光学系统结构简单,像质优良,可以广泛应用于军事探测系统中。     

基于多点可调支撑Ф300 mm平面重力变形校正研究

在高精度光学元件领域,特别是大口径的平面光学元件,随着对测试精度和口径要求的提高,重力变形成为其不可避免的问题。介绍了立式斐索型干涉仪的系统设计和多点可调支撑方法的变形理论,通过有限元分析（FEM）,优化得到了合理的支撑结构。采用液面基准,在300 mm口径的立式斐索型干涉仪上进行了平面的重力变形校正。与三平面法检测结果比较,两者的残差峰谷（PV）值为10.20 nm,均方根（RMS）值为1.56 nm。