凸面光栅成像光谱仪的干涉法装调

研究了Offner凸面光栅成像光谱仪同心分光系统的装调方法.将双光束干涉基本原理与同心光学系统基本特点相结合,提出了适用于Offner凸面光栅成像光谱仪的干涉装调法.该方法首先对凸面光栅成像光谱仪同心光学系统的两个凹球面反射镜进行同心装调,由于单个球面反射镜的离焦量难以调整至零,故引入相对离焦使两个反射镜的离焦量相等,...     

中阶梯光栅光谱仪的光学设计

为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率,实现全谱直读,对中阶梯光栅光谱仪进行了研究。简述了中阶梯光栅及中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析并比较了这种光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别。利用光学成像原理与消像差理论设计了Czerney-Turner结构形式的中型高分辨率中阶梯光栅光谱仪原理样机的光学系统。该光学系统工作在原子谱线最为密集的200～500nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350nm波长的所有像差;光线对中阶梯光栅在准Littrow条件下入射,以获得高衍射效率;使用折反射棱镜作为交叉色散元件来分离重叠的级次,在CCD探测器上获得了二维光谱面。该光学系统有较好的平场特性及点对点成像能力,在整个工作波长分辨率可达到2000～15000,满足设计要求。该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作,通过替换不同的探测器及增加外围电路与软件平台,仪器的工作性能可进一步提高。     

Offner成像光谱仪的消像差技术

介绍了基于同心结构的Offner成像光谱仪光学系统的工作原理、结构特点及优势,综述了Offner型成像光谱仪在国内外的研究进展。较详细地介绍了国内外目前常用的三种消像差方式,即通过改变光学元件装调结构实现消像差,基于单光栅像差理论的解析方法进行消像差以及通过设计凸面全息光栅来提高光谱图像的分辨率。文中总结了Offner成像光谱仪存在的关键问题及发展趋势,强调该系统需要解决的问题的是消除系统像差,提高系统光谱分辨率、空间分辨率和对弱信号的探测能力,其发展方向为更高的分辨率和探测能力以及系统的小型化和轻量化。基于对Offner成像光谱仪的研究,文中提出了一种从凸面全息光栅与光谱仪一体化设计的角度进行消像差的思路。     

同心三反射镜光学系统研究

介绍了由同心折、反射面组成的光学系统的一般特性,揭示了如果入射光束与出射光束平行,那么系统对空间任一点成几何理想像。讨论了同心光学系统实物成实像的条件和Offner系统的环视场,给出了Offner系统的计算公式。     

基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪

为了满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求,提出并设计了一种基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪。基于几何像差理论,推导出了像散校正条件,利用Matlab软件编制了初始结构参数快速计算程序。作为实例,设计了一个相对孔径为1/2.5,波段为350~1 000 nm的平面光栅光谱仪光学系统。利用自己编制的Matlab程序计算了初始结构参数,然后利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱仪的光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。结果表明,在整个工作波段（350~1 000 nm）内,点列图半径均方根值小于8.2 μm,实现了大相对孔径宽波段像散同时校正,在宽波段内同时获得了良好的成像质量,满足了设计指标要求。所提出的基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪在高光谱遥感领域很有应用前景。     

基于数字微镜器件的中阶梯光栅光谱仪的光学系统设计

研究了一种基于数字微镜器件(DMD)具有新型光路结构的中阶梯光栅光谱仪,并采用新的谱图信息接收方式来降低其使用成本和数据处理过程的复杂程度。将具有单波长选通功能的DMD与一维探测器光电倍增管(PMT)相结合接收中阶梯光栅光谱仪的光谱信息,在降低仪器成本的同时将中阶梯光栅光谱仪谱图还原算法与DMD扫描驱动算法相整合,提高了算法效率。由于DMD的填充因子比CCD稍低,该类光谱仪对成像质量和能量集中度提出了更高的要求。本文根据DMD型中阶梯光栅光谱仪特点,在有限的可挑选的光学材料下,采用多重优化的方式合理设计了中阶梯光栅光谱仪准直镜、中阶梯光栅、棱镜、聚焦镜等各个光学元件的光路结构参数,并且在Czerny-Turner结构中加入校正透镜和场镜,校正了系统所有像差,提高了整个光学系统的成像质量和光谱分辨率。最终设计的光谱仪系统分辨率达0.01nm,单个微反射镜内的光斑能量聚集度达到70%。     

激光准直扩束设计和仿真

从哈特曼法自动测量像差所需解决的准直(平行)光束出发,基于高斯先学理论,从工程角度分析了大倍率准直扩束系统的原理,实现了改变激光光束直径和发散角的准直扩束系统的设计,并通过仿真得到了验证,满足了光学系统的哈特曼像差测量要求.     

CO2探测仪光学系统设计

设计并架构了CO2探测仪的光学系统。通过对比国外典型大气温室气体探测仪采用的光学系统,总结了光栅与傅里叶变换两种分光方法的优缺点,确定设计的CO2探测仪采用大面积光栅色散光谱仪系统,该光学系统包括前置光学系统和三通道光栅光谱仪系统两部分。前置光学系统由无焦双离轴抛物面系统、2个分束器和3个聚焦透镜组组成,采用了多种消杂光措施,有效抑制了杂散光。光栅光谱仪的3个通道采用相同的结构,工作在相同的偏离角下;根据光栅方程推导了固定偏离角下光栅参数的计算方程,确定了3个通道的光栅参数;透镜采用低膨胀熔石英材料;大面积光栅工作在大入射角、大衍射角状态,工作波段内的光栅衍射效率可达90%以上。对光学系统的分析测试显示:通过在光谱仪系统放置0级光陷阱等消杂光措施,可将杂散光控制在10-5以下,空间方向的MTF大于0.9,光谱分辨率达到0.035nm(@760nm),实现了20点同步观测。由于相对孔径较大(F1.8),提高了集光能力。结果表明,设计的光学系统满足温室气体探测的技术指标要求。     

小型Offner光谱成像系统的设计

研究了在发散光束中使用色散元件的小型Ofiner光谱成像系统,分析了Ofiner凸光栅光谱成像系统和Ofiner曲面棱镜光谱成像系统的优缺点,与传统准直光束中使用光栅或棱镜的方法相比,Ofiner光谱成像系统具有体积小、质量轻、无谱线弯曲、色畸变小的特点。给出了两种系统的设计结果,并研究了滤除二级和高级次光谱的方法,给出了与Ofiner光谱成像系统匹配的不同形式的像方远心前置光学系统,可满足微小卫星超光谱成像仪的要求。     

中阶梯光栅光谱仪光学系统的安装及检测

本文详细介绍了中阶梯光栅光谱仪光学系统的安装及检测方法。通过对光学系统中狭缝、准直镜、棱镜、中阶梯光栅及聚焦镜的准确安装,使之达到设计精度要求。在光学元件的安装过程中介绍了中阶梯光栅光谱仪所特有的安装方法,及保证精度的手段,最后对光学系统的分辨率进行了检测,以瑞利判据为基础推导出分辨率的计算公式,并经实际测量得出了中阶梯光栅光谱仪的分辨率。从结果上看该中阶梯光栅光谱仪的分辨率达到10000,已经达到了设计要求,同时证明了所使用的安装方法的正确性。     

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。     

长焦距大口径连续变焦距光学系统

为了实现对远距离目标的实时跟踪与测量,设计了口径为650 mm,焦距为5 000~2 000 mm的连续变焦距光学系统。提出了牛顿式折反射光学系统与倒置的连续变焦距光学系统组合的设计方法,实现了光瞳的合理匹配与对接。确定了合适的入瞳位置,消除了变焦过程中像面容易产生的鬼像。通过合理匹配主系统和变焦距系统的光焦度,使得二级光谱最小化。运用CODEⅤ软件对各焦距位置的像差进行优化与平衡,使变焦距光学系统在各焦距位置的像差均得到校正与平衡,像面保持严格的一致性,从而各焦距位置成像质量良好。实验显示该系统全视场平均传递函数均在0.524以上（Nyquist频率：35 lp/mm）,满足使用要求。     

Influence of the elliptical illumination on acquisition and correction of coherent aberrations in high-resolution electron holography

In high-resolution off-axis electron holography, the interpretable lateral resolution is extended up to the information limit of the electron microscope by means of a correcting phase plate in Fourier space. A plane illuminating electron wave is generally assumed. However, in order to improve spatial coherence, which is essential for holography, the object under investigation is illuminated with an elliptically shaped electron source. This special illumination imposes a variation of beam directions over the field of view. Therefore, due to the interaction of beam tilt and coherent wave aberration, the effective aberrations vary over the field of view yielding a loss of isoplanicity. Consequently, in the past the aberrations were only corrected successfully for a small part of the field of view. However, a thorough analysis of the holographic imaging process shows that the imaging artifacts introduced by the elliptical illumination can be corrected under reconstruction by means of a phase curvature, which models the illuminating wave front. Applied in real space, this phase curvature is seamlessly incorporated into the correction process for coherent wave aberration resulting in an improvement of interpretable lateral resolution up to the information limit for the whole field of view.     

大数值孔径物镜的波像差测量及其特殊问题

设计了基于振幅型棋盘光栅的二维剪切干涉仪,用于测量大数值孔径(NA)物镜的波像差。研究了棋盘光栅剪切干涉仪的基本原理,分析了大数值孔径物镜波像差测量时涉及的几个特殊问题。首先,根据棋盘光栅的远场衍射函数分析了棋盘光栅的衍射效率和衍射级分布,给出了剪切干涉图数据的处理方法。接着,根据球面光瞳坐标与平面探测器坐标的投影关系,分析了光瞳坐标畸变的影响;采用几何光线追迹方法,分析了光栅方程非线性对系统误差的影响。最后,推导了物镜光瞳边缘的相对照度与数值孔径的关系。试验结果表明:采用相同光瞳坐标,NA为0.6的显微物镜的波像差测量重复性(3σ)可达到3.7 mλ。对大数值孔径物镜测量过程中涉及的特殊问题进行了探讨,结果提示:测量大数值孔径物镜的波像差时,需要考虑光瞳坐标畸变、光栅方程引入的系统误差、光瞳边缘照度衰减的影响等。     

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。     

消像差光栅的理论及实验研究

对消像差光栅进行了理论和实验研究。用光程函数和费马原理研究光栅的成像,用刻槽分布函数表示光栅的刻槽曲率及间距变化。对成像的理论分析表明光栅刻槽分布函数比刻槽间距更容易表达像差,给出了消像差光栅的表达形式。比较了SD、WFA、LPF等光栅的参数优化方法。探讨了消像差光栅密度的干涉测量法,设计了光路,对光栅密度进行了测量。     

塑料非球面透镜在头盔3D显示中的应用

研究了塑料非球面透镜用于3D头盔光学系统中的特性,给出了具体的设计实例,并同传统Erfle目镜作了比较。设计结果表明,在保证有效焦距、出瞳直径、出瞳距离和视场角不变的情况下,Erfle目镜系统由原来的5片减少为3片,同时其材料的总厚度仅为24 mm,缩小为 Erfle目镜的1/3;质量仅为39 g,缩小为 Erfle目镜1/10;光学系统垂轴像差在0°视场最大值为20μm,60°视场为62μm,均比Erfle目镜有非常大的改善;场曲也有了较好的改善,从0.95降至0.25。 因此该目镜系统不但可以满足HMDs 式3D显示系统对视场、出瞳直径和出瞳距离的要求,而且在结构上更趋向轻、小,其像差特性亦可以满足目视系统的要求。     

基于波像差理论的实数编码遗传算法优化XUV光学系统

由镜和光栅组成的XUV光学系统具有平面对称的性质,结合Lu平面对称光栅系统的波像差理论和均方根像差评价函数得到用以优化XUV光学系统的多参量目标函数。为求解该多自变量且大取值区间的目标函数,提出了一种基于十进制的实数编码遗传算法,并将其用于两种XUV光学系统的优化求值。将求得的优化值用光学仿真软件Shadow进行追迹,并和参考文献进行对比。结果显示本文优化后的光学系统在成像质量上有明显上升,表明波像差理论及本文的实数编码遗传算法可以有效地优化XUV光学系统,为此类系统的优化设计提供了新的思路。     

Geometric Theory for the Design of Multielement Optical Systems

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｔｒｅｎｄｉｎｅｘｔｒｅｍｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ(ＥＵＶ )ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙａｎｄｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｅｄｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎｒａｄｉａｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｕｓｅｏｆａｎｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｔｈａｔｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｓｅｖｅｒａｌａｄｖａｎｃｅｄｏｐｔｉｃａｌｅｌｅ ｍｅｎｔｓ,ｓｕｃｈａｓａｃｃｕｒａｔｅｌｙｆｉｇｕｒｅｄａｓｐｈｅｒｉｃｍｉｒｒｏｒｓａｎｄｖａｒｉｅｄｌｉｎｅｓｐａｃｉｎｇｇｒａｔｉ…     

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...