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。     

叠栅条纹和CCD用于位移和角度的测量

将叠栅条纹测量技术和CCD器件结合应用于角度和位移的智能测量系统,该系统利用光栅的衍射自成像现象产生虚拟光栅,与另一光栅形成叠栅条纹,并用CCD光电转换系统,测量叠栅条纹的距离,可得到两光栅间的夹角.当任意一片光栅沿垂直于栅线方向移动时,通过数出移过叠栅条纹数目,即可得到相应光栅移动的位移.本文还分析和讨论了误差来源及给实验带来的影响.     

提高叠栅条纹信号质量的一种新方法

在国内外普遍使用的细栅距幅光栅叠栅条纹系统中,衍射效应是很明显的,这是造成叠栅条纹信号的衬比(度)和正弦性不好的主要原因.本文在分析了叠栅条纹信号的基础上,导出了衍射光栅副中±1级叠栅条纹的相位与光栅副间隔,光线入射角等的关系,提出了用±1级叠栅条纹来提高叠栅条纹的信号质量,实验结果与理论分析一致,实际应用,效果良好.     

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。     

电寻址液晶光阀系统上的叠栅条纹的观察与测量

利用电寻址液晶光阀系统生成叠栅条纹,对教学实验室中较难实现的圆形光栅及其动态叠栅条纹进行了模拟,并且利用电寻址的动态叠栅条纹测量了圆形光栅转速.此外,提出了远场衍射观察光线偏折的方法.     

曝光系统离焦对平面全息光栅衍射波前的影响

波前像差是衍射光栅的重要技术指标，它直接影响光栅的分辨率。由光致刻蚀剂记录两束相干光干涉条纹是制作全息光栅的关键步骤。为了提高全息光栅曝光系统调整精度、减小离焦、降低光栅的衍射波前像差，从离焦对反射球面准直镜的准直光平行度的影响程度出发，分析了准直光平行度对全息光栅衍射波前像差的影响。理论分析和数值模拟结果表明，准直镜调整误差直接决定全息光栅衍射波前像差大小。以3种不同刻线密度光栅为例，得出了准直镜调整误差的允许变化范围。     

Ronchi光栅检测非球面镜系统的设计及实验研究

为指导大口径非球面反射镜的精磨至抛光过程的加工,设计了Ronchi光栅检测系统。采用零位补偿器替代补偿光栅的设计制作,既能用Ronchi法对粗加工过程检测,也能用于干涉仪检测;模拟Ronchi检测过程中条纹形状与对应面型像差的关系,通过判断条纹形状对加工过程进行指导;针对某600mm口径的双曲面反射镜,设计了Ronchi光栅检测系统、零位补偿系统、成像系统。分析检测系统元件剩余反射对成像结果的影响,并提出相应的解决方案。分析表明,在Ronchi光栅检测光路中,分光棱镜表面5%剩余反射相对0.1%剩余反射,像面暗条纹的照度值增量大于30倍,条纹明暗对比度下降,难以分辨;光栅剩余反射大于3%时条纹中心产生亮斑,亮斑照度与条纹照度值比大于5倍。通过优化系统结构,降低元件表面剩余反射,提高了像面条纹对比度。将Ronchi检测系统用于双曲面镜抛光过程的检测,测得双曲面粗抛光后RMS值为0.042λ,PV值为0.291λ,可有效指导非球面的精磨与粗抛光过程。     

码盘偏心对叠栅条纹信号相位的影响

根据两计量光栅产生叠栅条纹的几何光学基本理论,在改进计量光栅码盘理论模型的基础上,推导出码盘偏心情况下读头输出的叠栅条纹信号相位的理论公式,对码盘偏心给叠栅条纹信号相位带来的偏差进行了分析与讨论.     

三维显示中基于彩色叠栅条纹的视差障栅参数设计

为确定三维显示中视差障栅(PB)的最优参数,提出一种基于彩色叠栅条纹的PB参数设计方法。液晶显示器(LCD)和PB简化为相应参数的黑白光栅模型,而具有特定参数的特定辐射光栅作为周期和倾角变化的PB模型,通过序数方程和傅里叶分析方法分析特定辐射光栅和LCD单色等效黑白光栅的叠加图样,由此推断出不同PB周期的低频主导条纹频率组项,然后利用傅里叶理论的部分和提取方法(PSE)分析不同PB周期的低频主导叠栅条纹的强度轮廓,得出PB的最佳节距和相应倾斜角度。实验结果表明,所设计的PB三维显示系统没有出现降低像质的叠栅条纹,具有较好的三维显示效果。     

非平行光干涉照明显微镜三维形貌检测研究

为实现表面微观形貌快速而较简单的检测, 一种使用非平行光干涉照明的光学显微三维形貌检测方法被提出。该方法使用空间光调制器对激光光束进行衍射, 选取光强相近的2个衍射级通过显微物镜, 双光束干涉可得到周期接近图像分辨率、相位可精确调节的照明条纹, 被测样本的三维形貌可通过拍摄4帧等相位差的条纹照明图像来计算得到。该方法不需借助干涉物镜产生条纹, 不需要轴向扫描装置记录条纹变化, 相位调节精确, 成像直观。此外, 该方法所产生干涉条纹的相位随坐标线性变化, 不需对条纹周期进行修正。因为照明条纹参数调节光路独立于显微成像光路, 系统装置具有光路简洁、易于调节的优点。为验证所提出三维检测精度, 以粗糙度100 nm的粗糙度对比模块和硅片为被测样品进行了三维轮廓重建实验, 实验结果显示, 所提出方法轴向重复性测量精度为8.6 nm(2σ)。     

A modified phase diversity diffraction wavefront sensor with a grating

The phase diversity wavefront sensor is one of the tools used to estimate wavefront aberration, and it is often used as a wavefront sensor in adaptive optics systems. However, the performance of the traditional phase diversity wavefront sensor is limited by the accuracy and dynamic ranges of the intensity distribution at the focus and defocus positions of the CCD camera. In this paper, a modified phase diversity wavefront sensor based on a diffraction grating is proposed to improve the ability to measure the wavefront aberration with larger amplitude and higher spatial frequency. The basic principle and the optics construction of the proposed method are also described in detail. The noise propagation property of the proposed method is also analysed by using the numerical simulation method, and comparison between the diffraction grating phase diversity wavefront sensor and the traditional phase diversity wavefront sensor is also made. The simulation results show that the diffraction grating phase diversity wavefront sensor can obviously improve the ability to measure the wavefront aberration, especially the wavefront aberration with larger amplitude and higher spatial frequency.     

用于数字莫尔干涉术的莫尔滤波合成法

提出一种新型的用于数字莫尔干涉术的快速数字莫尔合成算法———莫尔滤波合成法,使原始条纹图叠加形成的莫尔条纹图最大比例地携带了人们所感兴趣的信息。通过简单的数字图像处理就可提取出有用的空间频率信息,得到理想的莫尔条纹,减少了有用信息的损失。可应用于直接与复杂标准波面比较的场合,如非球面面形检测,轮廓测量等。     

A modified phase diversity wavefront sensor with a diffraction grating

Phase diversity wavefront sensor is one of the useful tools to estimate the wavefront aberration, and it is often used as a wavefront sensor in adaptive optics system. However, the performance of the traditional phase diversity wavefront sensor is limited by the accuracy and dynamic ranges of the intensity distribution at focus and defocus positions of the CCD camera. In this paper, a modified phase diversity wavefront sensor based on a diffraction grating is proposed to improve the ability to measure the wavefront aberration with larger amplitude and higher spatial frequency. The basic principle and the optics construction of the proposed method are also described in detail. The noise propagation property of the proposed method is also analysed by using the numerical simulation method, and comparison between the diffraction grating phase diversity wavefront sensor and the traditional phase diversity wavefront sensor is also made. The simulation results show that the diffraction grating phase diversity wavefront sensor can obviously improve the ability to measure the wavefront aberration, especially the wavefront aberration with larger amplitude and higher spatial frequency.     

二次光栅在波前测量中的应用

采用一种特殊的二次光栅用于激光波前测量,它对非零级衍射光束具有不同的聚焦效应,其光栅线为圆弧型而非直线。导出了在会聚光束情况下的两平面成像在单一像平面上的距离关系,实验上实现了二次光栅用于会聚光束的波前测量,测量得到会聚光束具有较大的散焦(-2.93λ)和球差(1.34λ),与该透镜引起波前的离焦像差理论理想值(-2.695λ)基本符合。该技术可以实现波前的高空间分辨力和高精度实时测量,大大减少光学元件数量,降低装置成本。由于大功率激光束的不稳定性,其波前变化非常快,所以该方法的实时性非常适合于这种波前变化的测量。     

基于叠栅技术的二维亚波长周期结构成像设计

用光子学方法研究了叠栅技术中,当试件光栅被拉压和旋转后,叠栅条纹的空间周期和相对于基准光栅的取向,试件光栅被拉压后的节距等相关问题。根据衍射光波的空间周期可能大于试件光栅空间周期的特点,对二维亚波长周期结构衍射成像进行了设计研究。首先,对二维亚波长周期结构衍射物进行编码,以获得包含编码光栅空间信息的均匀波;其次,使编码得到的均匀波通过光学系统,并被放大到CCD相机所能辨识的大小;再次,经解码光栅解码,滤掉编码波,最终获得二维亚波长周期结构物的空间结构信息,达到超分辨的目的。同时,对成像过程进行了较为详尽的分析,对编码器、解码器的位置以及它们相对衍射物的取向进行了设计研究,对滤波器的选择给予了必要的说明,指出了取得超分辨成像的关键。     

连续振动悬臂梁的瞬时三维形貌测量

提出一种连续振动悬臂梁瞬时三维形貌的测量方法。利用影栅云纹法在连续振动悬臂梁表面产生包含有三维形貌信息的云纹,采用准直双光源提高亮度,通过高速摄相机获取随时间变化的一系列变形条纹,利用傅里叶变换方法对序列图像进行处理,采用补零延拓法对数据进行处理,以减小频谱泄漏所引起的相位计算误差。将相位解包裹方法用于动态过程瞬时三维相位场的相位展开中,重建了悬臂梁的瞬时三维形貌,再现了悬臂梁的连续振动过程。     

刻线误差与面型误差对平面光栅光谱性能影响的二维快速傅里叶变换分析方法

光栅刻线误差与基底面型误差影响平面光栅衍射波前、分辨本领、鬼线、卫线及杂散光等光谱性能,研究光栅性能指标与光栅刻线误差及基底加工误差之间的因果关系,对提高光栅质量极为重要。根据光栅衍射中产生的源于刻线误差与面型误差的光程差,推导出了在光栅锥面衍射情况下的光栅刻线误差、基底面型误差、入射角θ、衍射级次m与衍射波前关系的数学表达式,得到构建非理想光栅衍射波前的理论模型。以理论模型为依据,采用干涉仪测量光栅对称级次衍射波前,实现在测量结果中对光栅刻线误差与基底面型误差的分离,并基于二维快速傅里叶变换分析光栅衍射波前,考察了刻线误差与面型误差对光栅性能指标的影响。借助此方法通过重构的光栅衍射波前,分析光栅分辨本领、鬼线等光谱性能,还可以反演光栅全表面刻线误差与面型误差的大小,为光栅基底加工、光栅制造和使用技术提供理论依据。     

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。