基于光栅制造的光刻投影物镜设计

光栅尺作为位移传感器被广泛应用在精密测量体系中，随着测量趋于纳米级精度和大量程，对光栅尺的制造精度提出了更高的要求。刻线误差是影响光栅尺制造精度的重要因素，减小刻线误差能够有效提高光栅制造精度。设计了一种大孔径、低畸变的投影光刻物镜，并在Zemax光学设计软件中对物镜进行了设计及优化。结果显示，其全视场波像差小于λ/10,MTF>0.6,最大畸变<0.0037%,最大分辨率R=2μm,数值孔径NA=0.15,缩小倍率5×,最大焦深±9.73μm。对其进行公差分析，结果表明，该物镜完全满足提高光栅尺制造精度的需求。     

高数值孔径投影光刻物镜的光学设计

针对45nm节点投影光刻物镜的应用,开展了工作波长为193nm的深紫外浸没式高数值孔径(NA)投影光刻物镜的研究和研制。设计了数值孔径(NA)为1.30的离轴三反射镜投影光刻物镜和NA为1.35的同轴两反射镜投影光刻物镜,并对两个设计方案的优劣进行对比分析,选择了同轴式结构作为最终的设计方案。分析了系统在不同NA情况下可变光阑与其远心度之间的关系,提出了用双可变曲面光阑的设计方案来优化系统的远心度。实验表明,应用本文设计方案,光刻物镜的波像差小于1nm,畸变小于1nm;新型的可变光阑使系统NA在0.85~1.35变化时的最大远心度由5.83~17.57mrad降低至0.26~3.21mrad。本文提出的设计方案为45nm节点高数值孔径投影光刻物镜的研制提供了有益的理论依据和指导。     

高数值孔径投影光刻物镜波像差的自动平衡优化

考虑高数值孔径(NA)投影光刻物镜视场较大、波像差分布不均匀,本文提出了一种自动优化设计方法来降低设计过程中出现的全视场最大波像差。该方法通过将一个自动调节采样视场权重的循环程序附加在光刻物镜的局部优化程序之外来自动平衡全视场的波像差,进而降低全视场的最大波像差。设计实例证明,运用该方法后光刻物镜全视场波像差的均匀性显著提高,最大波像差降低为原来的63%。该方法在光学设计软件Code V中有良好的应用效果,应用该方法不但能节省光刻物镜设计者的时间,而且会降低设计对设计者设计经验的依赖性。同时,该方法也可推广应用在其他对成像质量要求较高的光学系统设计中。     

宽光谱长工作距弱荧光信号检测显微物镜设计

针对癌细胞突变基因诱导荧光信号弱、光谱覆盖范围宽、现有显微镜不能检测等局限,本文设计了光谱波段为450~800nm、数值孔径为0.95的荧光显微物镜。物镜采用++-结构,因宽光谱、大数值孔径像差校正难度大、透镜片数多、装调困难,前组设置成敏感组分,承载物镜装调的调校功能,承担90%以上光焦度;中间组为弱光焦度组分,用于校正大数值孔径下的二级光谱,显著降低了二级光谱校正元件的加工难度;后组为负光焦度组分,用于平像场和增大物镜的工作距离。物镜的设计参数为:总长58mm、工作距0.21mm、视场0.625mm、倍率40×、数值孔径0.95,结果表明:其像质接近衍射极限,畸变小于0.2%,满足多种癌细胞突变基因的弱信号生物监测设计要求。     

用于MEMS振镜激光扫描的显微物镜设计

为满足微机电系统（micro-electro-mechanical system,MEMS）二维激光扫描系统对显微物镜小入瞳直径、大入射角度、大视场的要求,利用光学设计软件Zemax设计了一款入瞳直径为1.1 mm,可匹配MEMS二维振镜±18°大扫描角度的近红外无限共轭微型显微物镜。该物镜总长小于23 mm,数值孔径为0.4,分辨率为1.26μm,工作距为900μm,各项像差校正良好,满足使用需求。设计结果表明,该微型显微物镜可满足便携式皮肤检测仪器的MEMS二维振镜激光扫描系统的应用要求。     

用于DVD光学头的三焦点单片物镜设计

为了兼容CD、DVD、HD-DVD3种盘片．设计了适用于780、650、405nm^3个波长的二元衍射面和非球面相结合的单片物镜,3个波长对应的物镜数值孔径分别为0．45、0．60和0．65。介绍了单物镜实现三焦点原理;论述了二元衍射面和非球面的设计理论和结构参数,即二元衍射面刻环区域被分割成两个同心环形区域,根据谐衍射原理,每个区域对不同的波长设定不同的衍射级次;最后,根据光学头物镜的性能评价参数,应用ZEMAX软件进行理论模拟和公差分析。结果表明,所设计的物镜波像、波前均方差分别〈0．07λ和0．035λ,空间截止频率〉1200cycle／mm,曲率半径和厚度公差为300nm,能满足实际应用的技术要求。     

折反式眼底相机光学系统设计

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48mm工作距离的折反式眼底相机光学系统。设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正。建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路。照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光。成像光学系统可在-10～+10m-1调焦,物方各视场分辨率为33lp/mm,系统畸变小于8.5%;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15%以内。实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求。     

Design of optical system for catadioptric fundus camera

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48 mm工作距离的折反式眼底相机光学系统.设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正.建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路.照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光.成像光学系统可在-10～+10 m-1调焦,物方各视场分辨率为33 lp/mm,系统畸变小于8.5％;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15％以内.实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求.     

掩模位置误差对光刻投影物镜畸变的影响

为使光刻投影物镜满足光刻工艺的要求,研究了掩模位置误差对光刻投影物镜引入的畸变。采用勒让德多项式描述光刻投影物镜的畸变,并应用勒让德多项式对光刻投影物镜进行了畸变分析及畸变补偿。利用以上方法,对一台工作波长为193 nm,数值孔径(NA)为0.75的光刻投影物镜进行了畸变分析。结果显示:当掩模面3个方向的平移公差为1.0μm,绕3个轴的转动公差为0.1 mrad时,光刻投影物镜标定前后的畸变分别为2 113.2 nm和10.0 nm。利用勒让德多项式进行了畸变拟合,获得了多项式中各项系数,并给出掩模面位置误差的畸变敏感度系数;然后利用畸变敏感度系数对掩模面的随机位置误差进行了公差分析和补偿。结果表明,将光刻投影物镜畸变控制在2 nm以内时,掩模面z方向的位置公差为±2.0μm,掩模面与x轴与y轴的倾斜公差分别为±22.3μmad和±55.3μmad。实验结果证明提出的方法适用于对掩模面引入的光刻投影物镜畸变进行有效分析及补偿。     

光的相干长度对两类光谱仪器分辨本领的影响

衍射光栅光谱仪和法布里-珀罗(F-P)干涉仪是两类非常典型和重要的光谱仪器。从波动光学的角度看,光栅衍射和F-P干涉都可看成是多波列的相干叠加。由于波列之间存在光程差,光的相干长度限制着同时参与相干叠加的最大波列数。针对现有理论将光栅衍射和F-P干涉同时参与相干叠加的最大波列数分别定为透光狭缝总数和无穷大的情况,分别引入有效透光狭缝数和有效透射光光束数来说明光的相干长度对衍射光栅光谱仪和F-P干涉仪这两类光谱仪器分辨本领的影响。     

子孔径合成光学成像系统像质评价研究

子孔径合成光学成像系统的出瞳波前是离散的,需要同时引入波象差和衍射光学理论,拟合最佳高斯参考球面,计算出瞳波前和波象差,并通过对像面的衍射积分,评估系统像质。对比了两种像质评估的方法,其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参数拟合Zernike多项式衍射直接积分法计算像面复振幅分布,其二是对子出瞳波面衍射直接积分在像面的复振幅的叠加。设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统,在此基础上用ZYGO GPI XP干涉仪验证并对比了使用两种方法的对像质计算的特点。结果表明,子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高,但计算量大;在衍射限附近,前者的拟合精度也能满足像质的定性评估要求,且计算量较小。     

条纹扫描Ronchi检验法测量波像差

本文叙述了一种应用普通的Ronchi检验装置,通过微机控制的步进马达,驱动光栅分步扫描,引起Ronchi图的强度随时间作周期性变化,从而应用同步相位探测技术获得波面的位相分布的方法。文章给出了Ronchi图的分析和波差计算公式,描述了实验装置、计算机软件框图及实验结果。     

Simple characterisation of a deformable mirror inside a high numerical aperture microscope using phase diversity

We present a simple and versatile scheme for characterising amplitude and phase modulation by an active element, such as a deformable mirror, in the pupil plane of a high NA microscope. By placing a mirror in the vicinity of the focal plane of the objective and recording images of the reflected focal spot on a camera, we show that reliable measurements of the influence function of the mirror actuators in the pupil plane of the objective can be obtained using an iterative electric field retrieval algorithm. Compared to direct wavefront sensors, the proposed method allows characterisation for a variety of objectives with different NA and pupil sizes without modification of the setup, requires minimal space inside the microscope, and can be used with pulsed sources such as used for multiphoton microscopy. In order to validate our method, we compare our data to the results obtained with a Shack-Hartmann wavefront sensor, and show that comparable precision is achieved.     

采用环形模板的棋盘格角点检测

曝光过度和镜头畸变将分别导致棋盘格角点分离和角点局部区域不对称现象。现有的角点检测算法通常难以准确提取棋盘格角点。此外,在复杂背景下,现有角点检测算法也极易出现错误。针对上述问题,本文提出了一种图像坐标系下的基于环形模板的棋盘格角点检测算法。首先,通过分析得出棋盘格角点附近的灰度分布应满足一定的对称性和灰度交替性等性质,进而得出环形模板卷积后的图像应满足的性质。而后,利用该性质来定义并提取棋盘格角点,使提取的角点直接达到亚像素精度。实验结果表明：本文提出的棋盘格角点检测算法在曝光过度,镜头畸变和复杂背景情况下,均能取得较好的棋盘格角点检测效果。将该算法应用于实际摄像机标定,实验结果显示重投影误差在0.3个像素以内。     

大口径拼接式合成孔径光学系统设计

在三反消像散系统基础上,介绍了一种大视场长焦子孔径合成光学成像系统的设计方法。在对子出瞳波前利用菲涅尔衍射直接积分叠加的基础上进行像质评估,以实现对拼接镜面的全面仿真和分析;用非序列面误差分析和分配的结果修改初始结构;通过高次曲面平衡象差,并在结构优化时使用较小F数的系统,增加结构对子镜的失调的误差冗余度,迭代完成系统的最终设计。设计了一个同轴三反子孔径合成光学成像系统,焦距44m,f/8,7子镜拼接,视场角达0.6°×0.06°,通过不断迭代,获得了较好的结构和成像质量。     

三次位相传播中的波像差及在CGH中衍射级次的分离

设计利用计算全息图（CGH）作为零位补偿器来检测三次位相板的光学系统,最重要的两个理论问题是三次位相在空间传播过程中产生的波像差的具体形式和经过CGH衍射后衍射级次的分离。本文阐述了三次位相在传播过程中会产生高阶像差,详细推导了三次位相在传播过程中产生的波像差的理论公式。由公式得到高阶项随着传播距离l的增大而增大,且满足一个指数增大的关系。讨论了检测光波经过CGH衍射后衍射级次的分离的理论过程。根据用Zemax设计的一个用CGH检测三次位相板的检测系统作为模拟的实验验证,无论是传播过程中的波像差还是衍射级次的分离,都得到了与理论推导相吻合的结果。     

激光棒干涉测量中单双通法的对比

由于激光棒具有细长的特殊形貌特征,传统的双通测试方法虽然灵敏度较高,但是往往存在明显的衍射效应和多重成像导致的边缘黑环,这会导致有效测量面积的缩减,对于小口径光学元件的测量尤为不利。为了克服这一缺陷,采用单通法测量激光棒的波前畸变,使用直角棱镜作为反射件,使得测试光仅通过激光棒一次,从而减少光路中的等效圆孔数和成像次数,抑制衍射和边缘重叠。利用展开的多小孔模型讨论了衍射效应的影响,并且从成像角度讨论边缘重叠的成因,从而得出单通法的优势。另外,为使参考光与测试光的匹配,需要将直角棱镜旋转至少5.40°偏摆角以提高干涉条纹的对比度。最终测得激光棒波前畸变的峰谷值为0.068λ,均方根值为0.012λ。     

偏振对于光纤光栅传感器工作性能影响的研究

基于布拉格衍射理论的光纤光栅传感器应用于温度、浓度、应力等参量高精度测量,通常要求高精度的波长分辨率。当入射光波前有偏振态存在时,将会对光栅系统的波前测量结果产生误差。在保偏光纤中,偏振对于光栅的影响尤为严重。当光栅周期与光栅矢量排布方向发生改变时,它与带有偏振信息波前作用后的衍射波前也会发生变化,而且在不同的衍射级上影响会有所差异,在精密波前检测方法中往往忽略了这种差异,从而对于光学波前的高精度检测存在误差。本文基于有限时域差分算法,计算在不同偏振态光束入射以及不同光栅周期与光栅矢量排布时偏振对于检测精度的影响。最终得到在不同偏振态光束入射时,光栅采用不同期与矢量排布,对于衍射波前的误差反应。     

制作平面全息光栅的离轴抛物镜/洛埃镜干涉系统

设计和制作具有较高波前平面度和结构稳定的干涉曝光系统是研制高质量平面全息光栅的首要条件.对离轴抛物镜/洛埃镜系统、单透镜/洛埃镜系统、球面反射镜/洛埃镜系统和双分离透镜/洛埃镜系统等4种单反射镜干涉曝光系统产生的干涉条纹直线度进行了光线追迹.在干涉场中放置标准光栅,使用于曝光的两束平行光入射到光栅上,从而衍射光相干叠加...