超分辨望远光学系统像差影响及优化设计

针对大口径光学系统中像差影响超分辨效果的问题,开展泽尼克波前像差对望远超分辨成像系统性能和超分辨局部视场影响的研究。设计四区型位相光瞳滤波器,在理想光学系统出瞳处分别加入离焦、像散、彗差和球差像差,逐渐增加幅值,通过分析不同类别和幅度的波前像差下焦面光强分布变化,研究超分辨成像性能和局部视场对不同种类像差的容忍程度。结果表明,离焦可以抑制超分辨旁瓣能量,提高超分辨倍率,但对局部视场影响较大;球差可以抑制超分辨旁瓣能量,增大局部视场;像散和彗差使光斑圆对称性明显下降,其中像散对局部视场的影响较为明显;同时加入适量离焦和球差时,超分辨旁瓣能量下降,超分辨倍率提高,且不影响系统局部视场。据此设计了一个F数为10,焦距为12 m的大口径光学系统,通过合理优化球差和离焦剩余量,实现了超分辨倍率由1.21倍到1.31倍的提升,最大旁瓣峰值由0.33下降到0.30,局部视场为38.28μm。     

LASIK手术对人眼波前像差的影响

采用主观光线追迹的像差仪测量人眼波前像差,比较3mm和6mm 瞳孔直径下,LASIK手术前与术后四个月的29只人眼波像差情况.数据比较分析表明,手术后人眼高阶像差一般会大于术前,且像差增大量随术前屈光度数的增大和瞳孔直径的增大而增加,如3 mm瞳孔直径下86%的人眼高阶像差的RMSH<0.12 μ,>0.4μ.比较人眼波像差的Zernik展开式中各项发现球差Z04无论在3 mm还是6 mm孔径下术后改变都最大;其中,当比较3阶,4阶和5至7阶时可看出对于3 mm孔径第三阶术后改变比例较大,为1.87,6 mm时第四阶改变较大,比例为2.21.     

基于个体眼光学结构的角膜与晶状体的像差补偿

研究角膜对晶状体波前像差的影响对现行的个性化视觉矫正手术有-定的参考价值.运用光学设计软件Zemax,根据个体人眼的角膜地形图、眼内各部分轴向间距和全眼波前像差数据,为22只人眼构建了个体眼光学结构.基于个体眼光学结构和衍射光学理论计算了眼内、外不同位置处的波前,获得了角膜对晶状体波前像差的影响.结果表明,角膜和品状体像差存在补偿和叠加两种关系.大多数眼睛,角膜对晶状体像差有一定补偿作用.总体像散的均方根(RMS)值比品状体像散的RMS值减小0.08～1.48μm,相当于10.1%～77.5%.总体高阶像差的RMS值比晶状体高阶像差的RMS值减小了0.06～0.85 μm,相当于3.8%～79.4%,平均减小了50.7%.其中,球差和彗差的Zernike系数绝对值总体比晶状体分别减小了0.02～0.60μm和0.01～0.39μm,相当于4.3%～98.4%和2.5%～91.4%.     

光刻机投影物镜的像差原位检测新技术

提出了一种新的光刻机投影物镜像差原位检测(AMF)技术。详细分析了该技术利用特殊测试标记检测投影物镜球差、像散、彗差的基本原理,论述了该技术利用对准位置坐标计算像差引起的成像位置偏移量的方法。实验结果表明AMF技术可实现球差、彗差、像散等像差参量的精确测量。AMF技术考虑了光刻胶等工艺因素对像差引起的成像位置偏移量的影响,有效避免了目前基于硅片曝光方式的彗差原位检测技术对离焦量、像面倾斜等像质参量限制的依赖。     

静态像差对交叉谱相位复原精度的影响及补偿方法

斑点图像重建方法可以有效抑制大气湍流的影响,得到目标衍射极限像。然而系统静态像差破坏了波前的统计信息,降低了相位重建精度。通过理论分析得出在理想情况下,离焦、像散、彗差和球差中只有彗差会在重建结果中引入额外相位值。进一步采用分割光瞳的方式表示交叉谱传递函数与静态像差的关系时,指出通过选择交叉谱的平移向量方向,可以实现在特定方向上静态像差之间的平衡,降低系统像差对相位重建的影响。仿真中球差与离焦像差之间的平衡及离焦像差与像散之间的平衡,都起到了降低相位重建误差的效果。     

人眼波前像差的动态特性研究

人眼波前像差随时间涨落会引起人眼光学性能和视觉功能的改变.采用改进的HartmannShack波前传感器人眼像差仪对10只屈光度为0D~-5.0D、直径为3mm和6mm的人眼瞳孔的波前像差进行测量,其中每只人眼在5s内连续测量125次,测量频率为25Hz.为确定测量过程中是否引入人为像差,对人造眼3mm和6mm瞳孔的动态波前像差进行测量比对.结果表明:所测量的10只人眼3mm和6mm瞳孔总的Zernike波前像差均方根涨落幅度的平均值分别为0.087μm和0.105μm,均大于Marechal衍射极限;Zernike第3阶到第7阶波前像差均方根涨落幅度随像差阶数的递增而下降,涨落幅度为0.06~0.02μm;人眼波前像差的涨落频率达6Hz.     

泽尼克各项像差对人眼光学质量的影响

基于两个人眼光学质量客观评价标准同心相对瞳孔平面(PFWc)和区域调制传递函数(Marea MTF),研究和分析了波前像差均方根值WRMS处于0.05~1.00μm较大范围内泽尼克各项像差对人眼光学质量的影响。分析结果表明,泽尼克各项在WRMS一定时,瞳孔中心区域的光学质量差距明显,离焦(C4)和球差(C12)项的MPFWc值最小,而五叶草(C15、C20)项的MPFWc值最大。五叶草项在WRMS值处于0.05~1.00μm的范围内,其Marea MTF值均大于0.94,表明该像差项对光学质量的影响可以忽略。MPFWc值和Marea MTF值随着WRMS值的增大而减小,但不是简单的线性关系,随着WRMS值的增大,它们的变化趋于平缓。各项泽尼克像差对人眼光学质量的影响存在较大差别,对人眼光学质量的影响从大到小依次为:球差、离焦、散光、彗差、三叶草、四叶草、五叶草等。     

光学合成孔径成像系统子孔径像差研究

根据波像差理论，推导了光学合成孔径成像系统单个子孔径存在各种像差时波面方差与子孔径数(N)的关系。推导结果表明，piston误差对系统的影响最大，其次是离焦误差、倾斜误差、球差、彗差和像散。运用离焦误差对piston误差、球差和像散进行像差平衡，其效果显著，特别是球差引起的波面方差下降90％。系统各项像差系数随子孔径数的增加而降低;当子孔径数大于6时，各像差系数变化缓慢。根据瑞利判据，计算N(N≤6)个子孔径合成系统的像差允限和相应的3孔径系统的斯特列尔比。     

偏轴自由曲面光学系统像差特性研究

基于矢量像差理论,提出了以Fringe Zernike多项式为表征函数的偏轴自由曲面光学系统像差分析方法,推导了偏轴自由曲面系统的三阶像散和彗差解析表达式,分析了自由曲面对偏轴系统像差节点分布的影响。根据像差分布特性,有针对性地选取和优化Zernike系数,设计了一个偏轴两反自由曲面长波红外光学系统,系统有效焦距为500mm,口径为300mm,采用384pixel×288pixel非制冷红外探测器接收,像素大小为25μm。优化后的系统三阶像散和彗差节点被重新移至视场中,平衡了系统偏轴引起的非对称像差,系统成像质量接近衍射极限,满足使用需求。     

直视合成孔径激光成像雷达内发射场波前像差对成像的影响

直视合成孔径激光成像雷达采用内发射场直接波面变换平动扫描发射,通过自差接收实现高分辨率成像。由于远场目标位置的光场分布取决于内发射光场,因此内发射场的波前像差会对激光雷达图像质量产生影响。采用Zernike多项式描述波前像差,对初级像差造成直视合成孔径激光成像雷达的成像影响进行了研究,理论分析和仿真结果表明:离焦、象散、彗差和球差对成像的影响最为严重,像差越大,其对成像分辨率的影响也越大。当像差的均方根值小于0.05λ时,对成像分辨率的影响很小,当像差的均方根值为0.25λ时,其象散和彗差引起成像分辨率近似增大到原来的3倍。彗差和球差还造成不同目标位置的成像分辨率不同,离中心位置越远,成像分辨率增加越快。     

光瞳离轴自由曲面光学系统像差特性分析

基于节点像差理论,提出了以泽尼克多项式为表征函数的光瞳离轴自由曲面光学系统像差分析方法,推导了光瞳离轴自由曲面系统的三阶像散和彗差解析表达式,分析了自由曲面对光瞳离轴系统像差节点分布的影响。根据像差分布特性,有针对性地选取和优化泽尼克系数,设计了一个光瞳离轴自由曲面空间天文光学系统,系统有效焦距为25m,口径为2m,视场为1.2°×1.2°。自由曲面的引入,使系统三阶像散和彗差节点重新回到视场中,不仅平衡了系统光瞳离轴引起的非对称像差,而且有效控制了全视场内点扩展函数(PSF)椭率,减小了星体观测时的测量误差。系统成像质量接近衍射极限,满足使用需求。     

非球面眼镜片的像差分析和设计

根据非球面眼镜片的赛德尔 (Seidel)初级像差理论 ,分析讨论了在消像散条件下校正球差、彗差和畸变的可能性 ,指出适当优化镜片的形状因子 ,能够获得畸变低于球面镜片的点焦 (即消像散 )非球面镜片。以± 6 .0m- 1 镜片为例 ,给出了校正畸变、点焦、无拐点非球面镜片的设计方法与结果 ,通过性能评价和比较 ,指出非球面镜片的像差校正情况与初级像差理论的分析结果基本一致     

自由曲面校正光学系统像差的研究

利用条纹泽尼克多项式来表征自由曲面的光学元件,并将多项式中表示初级球差、彗差、像散项转换为矢量形式.利用矢量波像差理论,研究了自由曲面光学元件校正光学系统初级像差的特性.通过分析可知,自由曲面在光学系统中不同位置时所校正的像差特性不同.当自由曲面位于光学系统的孔径光阑(入瞳或出瞳)上可以校正光学系统全视场内为常数的初级像差;当自由曲面远离孔径光阑时,由于轴外视场成像光束口径的缩放与偏移,自由曲面可以校正非对称初级像差,且不同初级像差与视场依据关系不同.     

几何光学 像差、像质评价

O435．2 2005053232 人眼不同瞳孔直径波前像差特性分析=Property analysis of wavefront aberration of different human eye’s pupils [刊,中]／徐高平(中科院光电所．四川,成都(610209)),徐 翔…∥光电工程．-2005,32(7)．-38-41 采用Hartmann-Shack人眼像差仪．测量了人眼在3．1 mm,5．2 mm和6 mm瞳孔直径下的波前像差。波前像差 的RMS值表明,随着瞳孔直径的增大,人眼各阶波前像差 均随着增大。与瞳孔直径为3．1 mm时相比,瞳孔直径为 6 mm和5．2 mm时,Zernike 2～10阶波前像差的RMS值 分别增大1．2～7．7倍和1．1～4．8倍。用调制传递函数 (MTF)和Strehl比评价了高阶波前像差对成像质量的影 响。结果表明,大瞳孔高阶波前像差对成像质量的影响大 于小瞳孔;在3．1 mm,5．2 mm和6 mm瞳孔直径下,欲达 到衍射极限的Strehl比率,分别需要矫正Zernike波前像 差前2～4阶、前3～6阶和前5～7阶,需矫正的像差阶数 随瞳孔直径的增大而增加。图4参7(于晓光)     

二次曲面共形整流罩像差影响因素分析

传统整流罩为半球形或半球形的一部分,产生的空气阻力较大,不利于武器飞行速度的提高。基于空气动力学性能的考虑,采用共形整流罩的光学技术被提出。文章描述了二次曲面共形整流罩外表面、内表面的设计方法及面型表达式,通过在CODEV中建立共形整流罩的扫描成像模型,应用Zernike多项式分解法研究了不同长径比、边缘斜率、口径比和回转中心位置对离焦像差(Z4)、像散(Z5)、彗差(Z8)和球差(Z9)的影响规律。研究结果表明:二次曲面共形整流罩引入的离焦像差、像散、彗差和球差均随着长径比、边缘斜率和口径比的增加而增大,但对成像系统回转中心的位置不敏感。因此,在满足武器的空气动力学性能条件下应尽量减小长径比、边缘斜率和口径比,回转中心的位置主要根据结构需要进行设计。     

单驱动器变形镜对低阶像差补偿能力的研究

变形镜能够实时校正波前相位畸变,减弱大气湍流的影响,是自适应光学系统的核心器件。单驱动器变形镜通过1个驱动器产生1个模式,恢复波前相位。利用有限元软件,研究了单驱动器变形镜对低阶像差的补偿能力。仿真结果表明,单驱动器变形镜可以对离焦、像散及彗差进行有效补偿,通过控制驱动器的位移,分别实现了对PV值为5 m的离焦、像散和慧差的补偿,补偿后的残差PV值分别为1.5 m、1.6 m和1.2 m,残差的RMS值分别为0.99 m、0.63 m和0.59 m。     

自由曲面校正光学系统像差的研究EI北大核心CSCD

利用条纹泽尼克多项式来表征自由曲面的光学元件,并将多项式中表示初级球差、彗差、像散项转换为矢量形式.利用矢量波像差理论,研究了自由曲面光学元件校正光学系统初级像差的特性.通过分析可知,自由曲面在光学系统中不同位置时所校正的像差特性不同.当自由曲面位于光学系统的孔径光阑(入瞳或出瞳)上可以校正光学系统全视场内为常数的初级像差;当自由曲面远离孔径光阑时,由于轴外视场成像光束口径的缩放与偏移,自由曲面可以校正非对称初级像差,且不同初级像差与视场依据关系不同.     

人眼高阶像差校正和视觉分析系统

人眼除具有可用眼镜或接触镜校正的低阶像差(离焦、像散)之外,还普遍存在高阶像差。高阶像差的存在影响着屈光系统的成像质量。为研究高阶像差对视觉功能的影响,利用自适应光学技术,建立了具有校正高阶像差和产生高阶像差双重功能的人眼高阶像差校正和视觉分析系统。介绍了系统实现高阶像差校正和视觉分析的工作原理;阐述了波前校正器、哈特曼波前探测系统、控制系统等关键单元技术;列出了系统对泽尼克模式像差的校正效果,绝大多数像差从0.5λ降低到0.2λ以下;阐明系统功能的实现过程,并给出仿真实验的结果。该系统为进一步研究高阶像差对视功能的影响提供了有效的手段。     

切削偏心对常规屈光手术后波前像差的影响

基于屈光手术的角膜切削模型和临床测量的波前像差数据,分析了矫正近视散光的常规屈光手术中切削偏心对波前像差的影响。结果表明,切削偏心主要会引起彗差的增大,引入彗差与偏心程度成线性关系,与被矫正的近视散光的屈光度也近似成线性关系。3～5阶像差中,除彗差以外的其它高阶像差并不会随着切削偏心的增大而显著增大。屈光手术后高阶像差的增大主要是切削偏心、激光斜入射和角膜愈合反应等多重因素导致的。     

基于矢量像差的自由曲面光学系统像差特性研究

基于矢量像差理论,提出了以Zernike多项式为表征函数的自由曲面光学系统像差分析方法,推导了在未消像散和彗差的光学系统中引入自由曲面后系统像差解析表达式,利用光学设计软件对远离光阑位置的自由曲面所导致的像差节点分布特性进行了仿真验证。仿真结果与理论推导一致,证明该方法可以用来解析自由曲面光学系统像差。最后,应用该方法设计了含有自由曲面的大视场离轴三反光学系统。系统焦距850 mm,F数6.5,系统在成像视场20°×2°范围内的畸变小于0.25%,成像质量满足使用要求。