点衍射波前位相的测评

提出一种检测点衍射干涉仪关键部件针孔所产生的衍射光学波前的方法。介绍了点衍射波前的产生原理,分析了小孔质量状态、照明光路调整状态与波前各个像差分量之间的关系。基于信息光学基础理论,采用傅里叶变换和迭代算法,采集针孔衍射图像并进行计算分析,实现对衍射波前的位相复原以获得波前信息。阐述了测试方法的理论依据和计算公式,应用研制的位相复原分析计算软件测试并分析了实际采集的点衍射图像,通过15次的迭代,输出的位相值逐渐收敛,图像误差因子下降到0.12。目前,该方法已用于对针孔的筛选和针孔照明系统的装调中,实验结果证明了该测试方法的可行性。     

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.     

基于半盲解卷积复原的高分辨率视网膜成像系统

为获得高分辨率视网膜图像,建立了基于自适应光学的视网膜成像系统,并以成像时获得的残余像差作为图像复原的估计参数,通过半盲解卷积进行图像复原以获得高质量图像.通过Hartmann-Shark波前传感器和微机械薄膜变形镜组成的自适应光学系统对活体人眼像差进行测量与校正,并在成像时记录系统残余像差,据此重建光学传递函数作为图像复原模型初始参数估计,对获得的视网膜图像进行条件约束迭代半盲解卷积复原,消除像差对成像质量的影响,从而得到高分辨率视网膜图像.实验表明,系统获得的图像经该方法处理后可获得较满意视网膜图像,图像质量提高近一倍,成像成功率由38％提高至78％,成像时间缩短为原来的1/7.该方法在满足使用要求的前提下有效缩短了校正时间,提高了成像的成功率,提升了系统的适用范围.     

折/衍混合消热差共形光学系统的设计

为了满足共形整流罩光学系统无热化工作的要求,基于硅、锗和硒化锌3种材料以及制作于整流罩内壁的衍射面设计了采用折/衍混合消热差方法的红外成像共形光学系统。介绍了共形光学系统像差特性以及衍射光学元件的像差、温度及色散特性,提出了利用可消像散的衍射面结构的温度补偿能力来设计共形光学系统消热差结构的方案,并设计了应用于中波红外成像结构中的万向支架式共形光学系统。软件分析结果表明,该系统充分利用了衍射光学元件的位相补偿,热膨胀系数小和色散因子大等特点,在-40～70℃能够较好地保证±20°搜索观察视场中的成像质量,且所有观察视场中的MTF值均大于0.43。     

利用激光全息技术校正大口径光学成像系统像差

基于光学全息原理,分析了激光全息技术校正光学成像系统像差的机理和方法,建立了全息记录实验系统,用于校正口径500 mm、低质量球面反射镜光学系统对有限远物体成像时的像差。采用原光路再现的方法,通过比较像差校正前后的干涉图样和成像结果,验证了该校正方法的可行性。实验结果表明,校正后该系统剩余波像差约为λ/8。     

折/衍混合消热差共形光学系统设计

为了满足共形整流罩光学系统无热化工作的要求,基于硅、锗和硒化锌3种材料以及制作于整流罩内壁的衍射面设计了采用折/衍混合消热差方法的红外成像共形光学系统。介绍了共形光学系统像差特性以及衍射光学元件的像差、温度及色散特性,提出了利用可消像散的衍射面结构的温度补偿能力来设计共形光学系统消热差结构的方案,并设计了应用于中波红外成像结构中的万向支架式共形光学系统。软件分析结果表明,该系统充分利用了衍射光学元件的位相补偿,热膨胀系数小和色散因子大等特点,在-40～70 ℃能够较好地保证±20°搜索观察视场中的成像质量,且所有观察视场中的MTF值均大于0.43。     

应用多个非球面优化鱼眼镜头的方法

对于鱼眼镜头一类光学系统,其超大视场的物点对于光学系统的成像,是符合平面对称光学系统的成像规律的。应用LU发展的平面对称光学系统的波像差理论,研究如何在鱼眼镜头光学系统中应用非球面对成像系统进行优化设计。首先,通过计算各个光学面的非球面系数对超大视场光学系统波像差的影响,找到受非球面系数变化影响最大的几个光学面;然后,以这几个面的非球面系数为变量,以光学系统调制传递函数作为评价函数,应用自适应归一化实数编码遗传算法,优化设计鱼眼镜头光学系统;最后,通过实例验证了所提出方法的有效性。所提出的方法可以有效地确定一个或多个最佳非球面的位置,对优化设计鱼眼镜头系统具有指导意义。     

波前编码技术扩展焦深的系统实验

为了扩大光学系统的焦深,建立了采用波前编码技术的光学/数字一体化系统,通过在普通光学系统孔径光阑处加入一个位相掩模板和后期数字处理的优化结合,实现了光学系统焦深的大幅扩展。介绍了波前编码技术的提出、发展及理论基础,设计了一个三片式的三次位相板系统,利用光学设计软件CODEV对传统系统和波前编码系统的成像特性进行了对比分析,给出了±40倍离焦范围内的点扩散函数三维轮廓图和调制传递函数曲线。最后,对研制的系统进行成像实验,并对波前编码系统解码前后的成像效果与传统系统进行了比较。实验结果表明,与传统系统相比,所设计的波前编码系统可以在保持光通量和像面分辨率的情况下将焦深扩展40倍。     

Zemax软件在离轴三反射镜系统计算机辅助装调中的应用

利用Zemax光学设计软件与自编计算机辅助装调软件,实现了对大口径、长焦距、无中心遮拦离轴三反射镜光学系统的装调.通过Zemax软件模拟光学系统的失调模式,得到整个光学系统的波前像差,把波前像差代入到自编的复杂光学系统计算机辅助装调软件中,计算出光学系统的失调量,与引入的失调量对比,证明了其正确性.在实际的装调过程中,用小型球面干涉仪分别收集3个视场的干涉图,得到失调光学系统的失调量,用Zemax软件验证失调量数据的正确性,从而指导装调.按此方法,在波长λ=632.8nm时,得到离轴三反射镜光学系统的全视场波像差RMS值为0.108λ.该方法也可以运用到其他光学系统中.     

基于Delphi的光学中心偏误差分析软件研制

根据光学系统的装校工艺过程,应用开发工具Delphi,研制了用于光学系统装校的光学系统中心偏误差分析软件。该软件提供了光学元件球心像位置计算和光学中心偏误差分析的功能,人机界面友好、操作简单方便,目前已经较好地应用于高精度光学中心偏测量仪的光学装校工艺过程的控制。     

X-ray omni microscopy

The science of wave‐field phase retrieval and phase measurement is sufficiently mature to permit the routine reconstruction, over a given plane, of the complex wave‐function associated with certain coherent forward‐propagating scalar wave‐fields. This reconstruction gives total knowledge of the information that has been encoded in the complex wave‐field by passage through a sample of interest. Such total knowledge is powerful, because it permits the emulation in software of the subsequent action of an infinite variety of coherent imaging systems. Such ‘virtual optics’, in which software forms a natural extension of the ‘hardware optics’ in an imaging system, may be useful in contexts such as quantitative atom and X‐ray imaging, in which optical elements such as beam‐splitters and lenses can be realized in software rather than optical hardware. Here, we develop the requisite theory to describe such hybrid virtual‐physical imaging systems, which we term ‘omni optics’ because of their infinite flexibility. We then give an experimental demonstration of these ideas by showing that a lensless X‐ray point projection microscope can, when equipped with the appropriate software, emulate an infinite variety of optical imaging systems including those which yield interferograms, Zernike phase contrast, Schlieren imaging and diffraction‐enhanced imaging.     

误差均化的拼接技术

利用相关拼接技术实现光学波面检测,可以用较小的测量口径实现较大面积的测量,并保持高的测量精度、高的空间分辨率和系统的低成本.获得高精度的子孔径波面分布和有效的拼接方法是这一技术的关键.最简单的两两拼接的方法由于在拼接过程中存在误差积累,对全孔径拼接精度有很大的影响.采用误差均化的拼接方法,要求所有拼接区中相差值的平方和同时达到最小.从本质上看,这是一种并行算法.给出了在平面直角坐标系下误差均化拼接的数学模型和求解方法,进行了计算机仿真.结果证明该方法是切实有效的.     

整体式波前校正器应用前景及加工技术基础研究

采用整体式波前校正器替代自适应式波前校正器可以大大降低光学系统的成本。介绍了整体式波前校正器的金刚石切削原理。利用所研制的快速伺服刀架、计算机控制系统 ,在超精密车床上进行了切削试验。试验表明 ,用单点金刚石车削整体式波前校正器是可行的。     

On the complex three-dimensional amplitude point spread function of lenses and microscope objectives: theoretical aspects, simulations and measurements by digital holography

The point spread function is widely used to characterize the three‐dimensional imaging capabilities of an optical system. Usually, attention is paid only to the intensity point spread function, whereas the phase point spread function is most often neglected because the phase information is not retrieved in noninterferometric imaging systems. However, phase point spread functions are needed to evaluate phase‐sensitive imaging systems and we believe that phase data can play an essential role in the full aberrations' characterization. In this paper, standard diffraction models have been used for the computation of the complex amplitude point spread function. In particular, the Debye vectorial model has been used to compute the amplitude point spread function of ×63/0.85 and ×100/1.3 microscope objectives, exemplifying the phase point spread function specific for each polarization component of the electromagnetic field. The effect of aberrations on the phase point spread function is then analyzed for a microscope objective used under nondesigned conditions, by developing the Gibson model ( Gibson & Lanni, 1991 ), modified to compute the three‐dimensional amplitude point spread function in amplitude and phase. The results have revealed a novel anomalous phase behaviour in the presence of spherical aberration, providing access to the quantification of the aberrations. This work mainly proposes a method to measure the complex three‐dimensional amplitude point spread function of an optical imaging system. The approach consists in measuring and interpreting the amplitude point spread function by evaluating in amplitude and phase the image of a single emitting point, a 60‐nm‐diameter tip of a Near Field Scanning Optical Microscopy fibre, with an original digital holographic experimental setup. A single hologram gives access to the transverse amplitude point spread function. The three‐dimensional amplitude point spread function is obtained by performing an axial scan of the Near Field Scanning Optical Microscopy fibre. The phase measurements accuracy is equivalent to λ/60 when the measurement is performed in air. The method capability is demonstrated on an Achroplan ×20 microscope objective with 0.4 numerical aperture. A more complete study on a ×100 microscope objective with 1.3 numerical aperture is also presented, in which measurements performed with our setup are compared with the prediction of an analytical aberrations model.     

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。     

光学成像系统光学波前的高精度测试

基于扩展奈波尔-泽尼克理论,分析了不同出瞳振幅分布情况对光学系统焦面处光强分布的影响.针对光学成像系统出瞳振幅实际分布状态,提出了一种新的测试光学波前的方法,解决了相位恢复算法中出瞳振幅分布不均匀和快速傅里叶变换引入计算误差的问题.通过测评实验,对一光学系统进行了测试,获得的光学系统出瞳波前(PV)值为0.196 5λ...     

Correlation analysis of couple optical paths for micro stereovision with stereo light microscope

A micro stereovision system with a stereo light microscope (SLM) has been applied in micromanipulation systems. There is a coupling connection between two optical paths of a stereo light microscope. The coupling intension corresponds with two factors: the structure of an SLM and the position of an object point in the view of an SLM. In this paper, a correlation function is proposed to describe the coupling intension between the couple optical paths of an SLM. The quantified results are applied to the error analysis of the imaging model. Experiments show that the correlation of the optical paths of a common main objective of stereo light microscope (CMO-SLM) is little more than that of a G-SLM, and the error must be considered when a pinhole imaging model is used to analyze its correlation.     

大视场液晶自适应视网膜成像系统

设计了大视场眼底自适应成像系统,用于扩大现有视网膜自适应成像系统的视场。对人眼等晕角视场下的自适应像差校正成像进行分析,确定了波前探测与成像校正两个过程对视场的不同要求。在共光源像差探测及成像光学系统中,采用切变视场光阑的方式先后在波前探测和自适应校正成像过程中进行小-大视场切换,避免了大视场中眼波像差探测失真问题,使成像区域由200 μm扩展到500 μm。利用人眼等晕角大视场使眼底液晶自适应成像系统在不降低成像质量的前提下将成像区域扩展了2.5倍,大幅提升了该自适应成像系统在临床上应用的可行性。