透射式旋转对称光学系统中的偏振像差分析

摘要：为了控制透射式旋转对称光学系统中的偏振效应,提高系统的光学性能,对透射式旋转对称光学系统中的偏振像差进行了分析。首先,在偏振像差理论的基础上,通过偏振光线追迹的方法,导出透射式旋转对称光学系统的偏振像差的计算公式。然后,对影响其偏振像差的因素进行了分析,提出了透射式旋转对称光学界面产生的偏振像差的影响因子,给出了该影响因子与入射角之间的关系曲线图。最后举例进行了分析。分析结果表明,对于具有宽光谱、大入射角、大视场等特点的透射式旋转对称光学系统,要想提高其光学系统的性能,必须控制光学系统的偏振像差。提出尽可能减小入射角的大小,将薄膜设计和光学设计结合起来、通过减小偏振分离的方式来降低系统中的偏振效应,是控制透射式旋转对称光学系统中的偏振像差的有效措施。     

基于星点图像的小像差复原

提出了一种基于星点图像的小像差光学系统像差复原方法.应用标量衍射理论和Bessel级数,推导了以波像差的Zernike系数为参量的小像差光学系统点扩散函数的解析计算公式,利用该公式给出了基于星点图像的小像差复原问题的目标函数及梯度函数的表达式,并采用最优化方法进行求解.分别在理想情况和噪声情况下数值模拟了光学系统的像差复原,验证了本文提出的像差复原方法的有效性,并分析了星点目标尺寸对复原效果的影响.该方法以波像差的Zernike系数为优化变量,并利用推导得到的解析表达式计算目标函数及其梯度值,避免了常用像差复原算法中所需的傅里叶变换和有限差分等数值运算,提高了复原算法的运算速度.     

光学系统像差的剪切干涉图样仿真

针对光学系统像差的判定问题,提出从理论上对各种像差的剪切干涉图样进行仿真分析。此分析依据波像差理论,结合剪切干涉在像差测量中的应用,建立波像差与干涉条纹的联系,采用计算机仿真手段对光学系统各种像差的典型剪切干涉图样进行了模拟,包括初级像差和二级像差。仿真结果表明,各种初级像差和二级像差均有其各自的典型剪切干涉图样,根据特征图样可以直接判定主要的像差种类。研究所得出的各种像差典型干涉图可为判断光学系统存在哪种像差提供参考与依据。     

移相式点衍射干涉仪的几个关键技术

极紫外光刻技术作为下一代光刻技术的最佳候选技术,为了得到衍射极限的分辨率,光学系统的RMS波像差应小于其工作波长的1/14,约为1 nm,这对检测技术提出了前所未有的要求。本文以应用于极紫外光刻光学系统波像差检测中的移相式点衍射干涉仪为基础,对干涉仪中几个关键技术进行了讨论,并给出了相应的解决方法。     

新型变倍观察系统

描述了四个变倍单筒望远镜的光学系统图和放大倍率不连续改变的一种系统的光学简图。给出了它们的光学特性和像差曲线。对像差校正情况作了比较分析。     

基于自由曲面的空间光学系统偏振像差分析

针对含有自由曲面的空间光学系统中偏振像差对探测精度和成像质量的影响,基于琼斯表示法,提出以条纹泽尼克多项式为表征函数的自由曲面离轴光学系统偏振像差分析方法,构建了自由曲面反射光学系统偏振像差解析模型,分析了条纹泽尼克多项式低阶系数对视场离轴光学系统偏振像差分布的影响;通过全视场偏振光线追迹仿真及系统引入自由曲面前后的对比,揭示了自由曲面对离轴光学系统相位像差、相位延迟和二向衰减3种偏振像差的作用规律;最后,设计了含有自由曲面的大视场离轴三反偏振成像光学系统,并分析了系统全视场的偏振像差.分析结果表明:相位像差分布与自由曲面面形矢高分布一致,自由曲面引起的二向衰减和相位延迟占系统总体二向衰减和相位延迟的52.5％.掌握这种偏振特性变化对于设计深空天文望远镜等甚高精度的光学系统具有重要意义.     

混入逃逸函数的遗传算法优化超大视场光学系统

超大视场光学成像系统在各领域的应用越来越多,但却缺少能够对该类光学系统的像差进行参量化设计的方法。将遗传算法和逃逸函数相结合对超大视场光学系统进行了优化设计。首先,修正了基于平面对称像差理论的超大视场光学系统的评价函数;然后针对遗传算法在优化超多参量光学系统时,其优化解的鲁棒性较差的问题,采用在遗传算法中混入逃逸函数来改善算法的鲁棒性。最后应用改进的算法分别对鱼眼镜头和折反射全景成像系统进行了优化计算,结果表明,优化后光学系统的像质比参考设计有较大的改善。     

平面对称光学系统的像差(I-像差理论的扩展)

扩展平面对称光栅系统的像差理论,使之适用于光线斜入射下平面对称折射光学系统的像差计算。结果使反射、衍射、折射光学系统的像差系数用同一组公式表达;应用基于费马原理的光线追迹解析法可以验证结果表达式的正确性。阐述了如何应用我们的波像差系数,导出轴对称对称光学系统的赛德尔初级像差。另外,文章还研究了当主光线位置改变所产生的像差修正。     

基于波前编码的光数混合景深延拓技术的研究

波前编码技术通过在光学系统的出瞳面加入一个非球面透镜,使光学系统的焦深增加一个数量级,并能够校正由各种原因的离焦引起的像差。介绍了波前编码技术的工作原理及其应用,并给出了采用三次相位掩模板时系统的成像结果。实验结果表明,波前编码技术将光学设计和数字图像处理相结合并进行整体优化,大大提高了光学系统的成像性能,在各类光学系统中具有非常广阔的应用前景。     

精密光学系统的热像差

为了精确控制与补偿物镜的热像差,设计了一套三镜实验光学系统,基于该系统验证了热像差计算方法的准确性。介绍了热像差分析方法及验证实验方案。开展不同热载工况下热像差测试实验,并与仿真结果进行了对比。最后,综合实验与仿真结果,分析了特定热载条件下系统热像差中非轴对称像差成分以及系统最佳焦面的变化趋势,获得了热像差的瞬态特性。实验结果显示:在输入热载大小之比为1∶4∶9的情况下,实验和仿真获得的热像差均方根(RMS)值之比分别为1∶3.75∶9和1∶4.01∶9.01,光学系统所加热载和热像差之间呈线性关系;在实验热载荷作用下,系统最佳焦面的稳态时间小于450min,而热像差中一阶像散(标准Zernike Z4)的稳态时间小于48min,一阶四叶(标准Zernike Z11)的稳态时间小于9min,最佳焦面稳态时间远大于非轴对称成分的稳态时间。基于该三镜实验光学系统所获得的热像差特性能够为投影光刻物镜或其它精密光学系统的热像差控制与补偿提供有力支撑。     

潜望高度变化对潜望镜性能的影响

对潜望镜及改变双透镜转像系统间的间隔来实现潜望高度的改变进行了简要说明,并对转像系统间隔变化对整个系统性能可能产生的影响,进行了分析及计算。     

潜望镜式卫星光通信终端的CCD粗跟踪

由于轻小型卫星光通信系统中潜望镜的光学结构随粗瞄机构姿态变化而发生改变,使得相应的跟踪算法变得较为复杂,本文对潜望镜式星间激光通信终端粗跟踪算法进行研究以提高粗瞄机构的跟踪精度.利用矩阵光学方法,建立了潜望镜式光通信终端中光学器件的矩阵模型,在获得CCD测角模型后,推导了基于CCD测角的粗瞄装置自动跟踪算法模型,实现了潜望镜式光通信终端粗瞄装置对目标光束的快速跟踪,并对模型进行了相应的实验验证.实验结果表明,该CCD测角跟踪模型正确地反应了实际终端中的光学传递关系,能够正确地对CCD图像位置信号进行处理并获得稳定跟踪角度,平均跟踪精度优于10 μrad,满足卫星激光通信中稳定可靠、高精度粗跟踪的要求.本文提出的方法对类似的光学系统具有借鉴意义.     

面向大型压铸模型腔壁厚的模糊优化设计

运用多目标模糊优化设计的原理,结合大型压铸模的工作条件,建立了逼近实际工况的型腔壁厚数学模型。采用最优水平截集法求解,并用复合形法进行优化。并给出了这种设计方法应用于潜望镜镜身铸件压铸模的工程实例。     

Multi-photon excitation microscopy in intact animals

Two‐photon excitation fluorescence microscopy and backscattered‐second harmonic generation microscopy permit the investigation of the subcellular events within living animals but numerous aspects of these experiments need to be optimized to overcome the traditional microscope geometry, motion and optical coupling to the subject. This report describes a stable system for supporting a living instrumented mouse or rabbit during endogenous reduced nicotinamide adenine dinucleotide and exogenous dye two‐photon excitation fluorescence microscopy measurements, and backscattered‐second harmonic generation microscopy measurements. The system was a modified inverted LSM510 microscope (Carl Zeiss, Inc., Thornwood, NY, U.S.A.) with a rotating periscope that converted the inverted scope to an upright format, with the objective located approximately, 15 cm from the centre of the microscope base, allowing easy placement of an instrumented animal. An Olympus 20× water immersion objective was optically coupled to the tissue, without a cover glass, via a saline bath or custom hydrated transparent gel. The instrumented animals were held on a specially designed holder that poised the animal under the objective as well as permitted different ventilation schemes to minimize motion. Using this approach, quality images were routinely collected in living animals from both the peripheral and body cavity organs. The remaining most significant issue for physiological studies using this approach is motion on the micrometre scale. Several strategies for motion compensation are described and discussed.     

核反应堆用潜望镜的研制

在核反应堆停堆后、堆内尚有较强的γ射线,堆内水的温度也较高。本文阐述了在这种环境下能正常工作的潜望境的特殊性能,并且给出了解决这些特殊要求的技术方法。     

基于共焦法的透镜厚度测量系统设计

研究通过分析共焦法检测透镜厚度的原理,并结合实际,给出了共焦光学系统的设计指标及要求,据此设计了一套共焦光学系统,结合光纤、耦合器、光谱仪等设备构成了基于共焦原理的透镜厚度测量系统。文中分析了本共焦光学系统的公差,分析结果表明,所给公差相对较宽松,整个光学系统设计合理,且在此公差下,本光学系统仍能清晰成像。本系统的测量范围至少为15 mm,可以有较广泛的应用。对于普通的K9玻璃,本检测系统的测量范围可达23.4 mm,测量精度为1μm。     

BP神经网络在导航潜望镜中的应用

将BP神经网络应用于导航潜望镜读数校正．通过训练样本找出天体高度与静态误差的对应关系．从而可应用静态误差对所测高度进行补偿。结果表明该方法有效。     

合成孔径雷达光学处理器的光学系统

本文论述了合成孔径雷达光学处理器的基本原理及特点,着重描述了光学处理器的光学系统.同时给出了该系统的设计方法和一些要考虑的问题.     

双层衍射元件在投影式头盔光学系统设计中的应用

利用双层衍射元件设计了一款折衍混合投影式头盔光学系统。系统的衍射效率在可见光波段＞90%,提高了像面图像的对比度,增加了色彩真实性。在出瞳距离为25 mm,出瞳直径为10 mm条件下,系统的视场角为50°,有效焦距为32 mm,直径为19.2 mm,重量为7.8 g,继承了投影式头盔光学系统的轻小性特征;调制传递函数(MTF)在38 lp/mm时,边缘视场达到0.3以上,中心视场达到0.6,充分满足2.8 cm(1.1 in)彩色LCD微显示器的SXGA显示模式;系统垂轴色差为8.2 μm,场曲为0.4 m^-1,畸变为5%,成像质量满足虚拟环境和可视化训练要求。文中给出了双层衍射元件的二元面特征曲线,每周期刻蚀八个台阶时,最小特征尺寸为6.3 μm,且易于加工实现。     

Calculation of aberration coefficients by ray tracing

In this paper we present an approach for the calculation of aberration coefficients using accurate ray tracing. For a given optical system, intersections of a large number of trajectories with a given plane are computed. In the Gaussian image plane the imaging with the selected optical system can be described by paraxial and aberration coefficients (geometric and chromatic) that can be calculated by least-squares fitting of the analytical model on the computed trajectory positions. An advantage of such a way of computing the aberration coefficients is that, in comparison with the aberration integrals and the differential algebra method, it is relatively easy to use and its complexity stays almost constant with the growing complexity of the optical system. This paper shows a tested procedure for choosing proper initial conditions and computing the coefficients of the fifth-order geometrical and third-order, first-degree chromatic aberrations by ray tracing on an example of a weak electrostatic lens. The results are compared with the values for the same lens from a paper Liu [Ultramicroscopy 106 (2006) 220–232].