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。     

膜系引入偏振像差对投影光刻物镜设计的影响与改进

为了实现高成像要求,投影光刻物镜在设计时需要考虑膜层偏振效应的影响,并进行相应的分析和评价。首先介绍了基于琼斯矩阵的偏振像差理论,然后以一个数值孔径(NA)为0.75的投影光刻物镜为例,设计了相应膜系,系统分析了膜层引入的偏振像差,并在设计时对膜层引入的离焦项和球差项进行了间隔优化补偿,补偿前后标量波像差和质心畸变分别从68.92 nm和3.76 nm改善为1.08 nm和0.38 nm,偶极照明模式下90 nm密集线条对比度从0.082提高为0.876,在此基础上,提出在设计时根据不同表面的入射角分布情况,采用组合膜系,同时控制P光和S光的振幅和相位分离,减小膜系引入的延迟和二次衰减等偏振像差,使得线条对比度提高了1.1%。     

ST-X石英基片上铬栅阵中单根栅条反射系数实验研究

精确的栅条反射系数对于声表面波器件的设计至关重要。本文利用网络分析仪的时域功能,采用短脉冲方法实验研究了ST-X石英基片上铬栅阵中单根栅条的反射系数。并推导出计算反射系数的公式。实验测量了不同铬膜厚度条件下单根指条的反射系数,再对实验结果作最小方差法拟合,得到反射系数随铬膜厚度变化的表达式,即反射系数中压电短路贡献和铬的力学负载贡献之和。最后将实验结果与采用有限元方法计算的理论结果比较,发现两者基本吻合。     

基于MEMS光栅平动式光调制器信号处理分析

依据傅里叶光学理论,采用在频谱面上放置两种空间滤波器的方法进行信号处理,分析了光栅平动式光调制器在成像面上的强度分布情况,实现了对光能量的调制.分析表明：当滤出±1级谱时,像面上可以得到完全均匀的暗场;但是由于边框和悬臂梁的影响,得不到完全均匀的亮场;当滤出零频谱时,由于边框和悬臂梁的影响,得不到完全均匀的暗场和亮场.设计时,为了要在像面上得到更高的亮度均匀性,需要满足可动光栅栅条宽度为光栅周期的一半,同时应尽量减少悬臂梁和边框的宽度.     

水下变焦镜头的设计

通过对光在水中传播特性的分析，讨论水下摄影中需要特殊考虑的关键因素，如光能衰减、镜头视场损失和内腔防水等，分析普通相机加隔水窗后在水中拍摄时像质变差的规律。为了适应深水探测，获得清晰成像质量，基于光焦度分配公式，提出了水下变焦镜头设计思想。用实例说明水下镜头的设计方法，设计的镜头相对孔径为F/1.6。设计结果表明：该镜头克服了普通镜头水下使用像质变差和最大视场渐晕等缺点。     

正支共焦非稳腔的离焦像差特性

 正支共焦非稳腔在出光过程中易受环境扰动而造成腔长失调，易受热积累影响而使腔镜变形，从而使输出光束产生离焦像差和部分其它像差。为了实现对离焦像差的校正，针对不同的产生原因，提出了2种离焦像差特性分析方法：一为腔镜相对位置失调引起的离焦像差特性理论分析方法，它是另一种分析方法的基础；二为腔镜变形引起的等效腔长变化导致的离焦像差特性分析方法，它是实际激光器中的主要分析方法。得到了离焦像差与腔长的特性关系和离焦像差与腔镜变形量之间的特性关系。研究表明：腔长改变和腔镜变形对离焦像差的影响本质是一样的，都是改变了谐振腔的共焦点位置；腔长改变或腔镜矢高变化与离焦像差都成近似的线性关系。实验验证了离焦像差特性分析方法的有效性，最后指出离焦像差特性可作为激光器中离焦像差动态补偿的有效依据。     

基于伽利略结构的二级激光扩束系统的设计

针对高倍率扩束系统设计要求(即轴上和轴外像差都得到较好的校正),从三级像差理论出发,设计了一种新型的40^×高倍率激光扩束系统。该系统是基于简单的伽利略结构并通过二级扩束系统来实现的,系统包括4片透镜,通过引入2个二次非球面、 2个反射镜或1个棱镜来折叠光路。利用CODE V光学设计软件给出了该系统的光学结构参数和外形结构图,并进行了像质评价。结果表明：该系统结构简单,设计难度小,成本较低,像质好,性能优良,是一种可以被广泛采用的高倍率激光扩束系统。     

多波段空间推扫相机光学系统设计

空间推扫相机的光学系统要求具有大视场、大口径、低F数等特点，据此设计了一种3波段光学系统。在参考国内外各种扫描或推扫相机结构的基础上，根据像差理论和系统要求，采用有效的分光方式和紧凑的光路结构，对不同的波段采用不同的像差校正方法，以及对系统优化组合后，最终得到了一个实用的光学系统。该系统包括可见、中波红外和长波红外波段，视场达到2.93°×0.3°，可见波段的F数为3.8，中波和长波波段的F数为1.9。从设计结果可以看出，系统3个波段的光学调制传递函数（MTF）都接近衍射极限。     

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。     

天文望远镜像差对斑点成像技术的影响

着重研究了采用斑点成像技术处理天文望远镜图像时,光学系统固定像差对图像恢复结果的影响。在详细研究各种恢复天文图像振幅和相位的理论和方法的基础上,建立了一个包括Labeyrie振幅恢复方法和KnoxThompson相位重构方法的恢复扩展目标的斑点成像处理模型,分析了光学系统固定像差对系统传递函数相位分布和目标相位重构的影响：天文目标通过大气成像,固定像差将会被淹没在大气湍流随机起伏中,像差对相位重构没有显著影响。处理图像结果表明,斑点成像技术能同时消除大气湍流和望远镜系统固定像差的影响,得到高分辨力的扩展目标图像。还提出了一种消除光学系统像差的方法。     

Design of aberration-corrected flat-field holographic concave grating by parameter optimization

Based on the aberration theory of concave grating [1], [2], [3], a method to design aberration-corrected flat-field holographic concave gratings by parameter optimization is introduced. And the influence of different parameters such as the incident angle, effective grating grooves and grating radii on the aberrations at diffracted order ?1 is discussed. The results indicate that for a concave grating working in a given spectral range, we can correct aberrations by optimizing the incident angle. In addition, flat-field holographic concave gratings with higher resolution and lower aberration can also be designed by choosing the effective grating grooves and larger grating radius properly.     

Zemax软件在取样光栅对设计中的应用

 光束取样光栅(BSG)是一种重要的用于光束取样诊断的衍射光学元件。以2块取样光栅代替单块光栅作为初始光学结构,运用Zemax光学设计软件采用分步优化的方法设计了具有消像差功能的光栅对结构,此方法比采用Matlab语言编程计算的方法消像差更快捷、更灵活,同时可以验证程序计算结果的正确性。设计结果显示：再现的会聚光经2块光栅衍射后在像平面上点列图中的均方根半径仅为0.506μm,单块取样光栅的均方根半径则为7.284μm,说明2块光栅能够做到像差互相矫正,其像质明显好于单块取样光栅。另外,设计出的双光栅光学系统,可进行远场光斑质量检测,为激光束性能的在线诊断提供了行之有效的技术支持。     

一种新的非球面零朗奇检测法

提出一种新的零朗奇检测法用于测量大口径非球面镜的面形。利用光线追迹和正弦条纹的相位信息设计补偿正弦光栅。使用透射液晶显示屏显示补偿正弦光栅并作为相移装置。一个离轴点光源发出的光被镜面反射后通过补偿正弦光栅,摄像机记录携带镜面偏差信息的相移条纹图。通过对相移条纹图的分析确定被测镜面的实际横向像差以及对应的理想横向像差,然后基于朗奇检测的几何原理得到被测镜面的偏差梯度,对其积分获得被测镜面的偏差,进而重建被测镜面的三维面形。与传统的零朗奇检测法相比,这种方法可以消除补偿光栅上每个条纹带边缘的锯齿形状,而且可以获得镜面上足够多的待测点信息。计算机模拟和初步实验验证了该方法的可行性。     

光栅水声传感器

本文着重介绍了以声光密度调制原理制造光栅水声传感器的方法。用一对刻线密度为1001/mm的Ronchi光栅对,其间隙为d=0.7～1μm,线条相对位移为x=2.Sμm,光栅对安装在水声室的顶部和底部的两个弹性隔膜上。这种传感器的最小探测位移量为X_(min)=3.4×10~(-3)A     

朗契检验相位探测和波面恢复

本文将传统的朗契检验的物理原理和同相位探测技术结合起来,解决了用其它干涉测量方法所难以解决的大量值波差或非球面波面的检测,并提供了一个简单而有效的检测方法。在该方法中,横向移动朗契光栅,使得朗契图的辐射光通量随时间作周期性变化,运用同相位探测技术来求取朗契图所表示的波象差的两个斜率面,利用Zernike多项式拟合算法由这两个斜率面复原出波象差,并结合实验装置实测了大象差系统的波象差。     

改进型Czerny-Turner成像光谱仪光学系统设计方法

像散是目前影响Czerny-Turner结构成像光谱仪空间分辨率最大的像差。首先引入柱面反射镜,利用光焦度衡量像散大小,推导出易于计算的像散校正公式,有效地校正了像散。给出准直镜到光栅距离的计算方法,有效校正了成像光谱仪边缘视场像差。给出了成像光谱仪像面倾角的计算方法,实现了宽波段的像差校正。最终利用上述方法设计了一套用于115～200nm的改进型Czerny-Turner成像光谱仪,焦距f′=48mm,F数为5.0,全视场、全波段调制传递函数(MTF)在0.7以上。全波段光谱分辨率为0.22nm,像面大小为8mm×7mm。设计方法适用于多种结构要求的成像光谱仪。     

Collimation testing using coherent gradient sensing

In the present communication, an application of coherent gradient sensing (CGS) for collimation testing of an optical beam has been proposed. In the path of the beam to be tested, a set of two identical linear Ronchi gratings is introduced. The diffracted orders from the two gratings traveling in the same direction are isolated using spatial filtering arrangement. The resulting laterally sheared wavefronts carry information regarding the defocusing errors. The grating rotation mechanism has been incorporated for collimation setting. The results of experimental investigation are presented. Improved accuracy and precision has been achieved because the requirement of maintaining the grating separation to be equal to self-imaging distance as in Talbot interferometry has been alleviated.     

Quantitative measurement of Φ630 mm F/1.34 parabolic surfaces with Ronchi grating test method

The Ronchi grating is applied to measure the large-aperture aspheric surfaces in a quantitative way on the basis of self-made software which includes Ronchi null grating design, collection of Ronchi graph, and data processing. The measured concave parabolic mirror has a diameter of 630 mm and an F number of 1.34. The measurement result is approximately the same as that of the ZYGO interferometer. This analysis software and test method establish a good foundation for the quantitative measurement of the big error about the large-aperture aspheric surfaces of the next generation telescope.     

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。     

利用莫尔条纹的准正弦特性的三维轮廓术

分析了两个矩形光栅迭合产生的莫尔条纹的光强分布特性，通过选择适当的光栅参数，可得到一个近似的正弦分划板，并把它用于三维面形测量中，实验结果表明，这种方法简单，易于自动处理，有广泛的实用价值。