基于像差补偿的近红外显微干涉硅通孔测量

为了实现深宽比大于6∶1的硅通孔的形貌测量,提出了一种基于像差补偿的近红外显微干涉检测方法。该方法采用近红外宽带光作为光源,能够穿透硅通孔,检测系统中内置变形镜自适应像差补偿模块,主动补偿硅通孔引入的调制像差。在检测硅通孔三维形貌时,依据COMSOL Multiphysics有限元仿真软件得到的三维硅通孔高深宽比结构对探测光的调制像差规律,指导设置需变形镜补偿的像差种类和量值,用基于频域的评价函数指标阈值,判定硅通孔底部图像的聚焦状态,获得待测硅通孔清晰的底部图像,本质上提升探测光的重聚焦能力。在此基础上,使用垂直扫描干涉法得到待测硅通孔的深度与其三维形貌分布。实验测量了直径为10μm、深度为65μm、深宽比为6.5∶1和直径为10μm、深度为103μm、深宽比为10.3∶1的硅通孔深孔,并与高精度SEM的测量结果对比,深度测量的相对误差为1%。与白光显微干涉测量结果对比表明,本文所提出的方法可以获得清晰的高深宽比硅通孔的底部图像,有效增强底部的宽谱干涉信号和对比度,能够准确测量更高深宽比硅通孔的三维形貌。     

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。     

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ZernikeZ₄)的稳态时间小于48min,一阶四叶(标准ZernikeZ₁₁)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。

     

用于测量大型离轴反射式光学系统的波像差的便携式干涉仪的研制

为便于检测离轴三反形式的光学系统,自行研制的便携式的干涉仪用于检测光学系统的波像差。该设备利用平面镜作为标准镜,通过平面波与球面波的转换与被测光学系统进行干涉,屏弃了一个标准球面镜对应一个被测光学系统,减少了标准镜的数量的同时,降低了成本。检测速度快捷,结果准确。该设备总重量不超过5公斤,体积小、便携、价格低廉,具有很大的发展前景。     

成像光学系统的相对波像差梯度偏离值评价法

针对成像光学系统的波像差检测,提出了相对波像差梯度偏离值评价方法,用于直接表征波前的成像性能。给出了波像差梯度偏离值的定义,即为波前成像点与成像能量中心的偏离值。在此基础上定义相对波像差梯度偏离值为波像差梯度偏离值与艾里斑大小的比值,并提出了相对波像差梯度偏离值评价方法。相对波像差梯度偏离值与波前口径、形状、焦距均无关,故文中提出用成像尺寸、成像集中度以及成像能量分布等多种方法进行相对波像差梯度偏离值评价。其中成像集中度和成像能量分布在不同的检测分辨率条件下的稳定性较好,分辨率每相差一倍产生的差异通常小于10%。根据出瞳位置的相对波像差梯度偏离值分布和像面位置的波像差梯度分布情况,可以方便地指导光学加工和系统装调。进行了相应的实验分析,结果显示:相对波像差梯度偏离值评价方法可以用于制定波像差指标,进行波前质量控制。     

人眼像差测量技术研究进展

眼睛由于内部结构的复杂多变,成像时伴随有大量的像差。用于测量人眼像差和视网膜成像质量的各种技术已经问世,然而至今还没有形成标准规范的眼像差测量方法。目前已经提出的眼像差测量技术有:阴影眼像差仪,Hartmann-Shack眼像差仪,干涉量度法和双程法,以及测量评估视网膜成像质量的人眼调制传递函数测量仪。详细回顾和描述了这几种技术的实验光路、实验原理和实验结果,同时在比较各种技术的基础上提出了眼像差研究的发展方向。     

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...     

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。     

反射式牛顿-施密特光学系统设计

透射式施密特校正板在使用上受到口径和波段的限制,所以需要展开对反射式系统的研究。从三级像差理论出发,并考虑到离焦量引起的焦距变化,推导反射式牛顿-施密特校正板方程式和各种消像差条件,并求解出反射式牛顿-施密特光学系统。材料选择方面反射材料比透镜材料更容易得到,更重要的是反射镜不产生色差。文中得出的公式经具体实例证实是正确的,可以作为光学系统设计的理论基础。     

复杂光学系统中的干涉条纹图像的精确仿真方法

精密复杂曲面形状的干涉测量光学系统的设计和测量误差分析一般采用光线追迹的方法进行,但用传统方法进行追迹计算时,计算结果不能用直观的干涉条纹仿真图像的形式来表示,常常难以有效地进行分析和判断.在提出的考虑光学元件安装误差的精确光线追迹方法的基础上,对来自于测量对象面的物体光的光程差的精确计算方法、和与物体光的位置对应的参照光侧的光线追迹方法进行探讨,给出物体光与参照光的位相差的精确计算方法,提出一种实用的干涉条纹仿真图像的作成方法,及测量对象面仿真计算的初始化方法,再以平面测量试验片和齿轮齿面为对象,进行仿真计算和实测,验证所提出的方法的正确性.     

具有低偏振像差的偏振分色合色系统

提出了一种具有低偏振像差的偏振分色合色系统的设计方法。通过优化设计得到的结果为:短波通膜透射曲线的S、P偏振分离为1.9nm,长波通膜透射曲线的S、P偏振分离为0.8nm;短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差在整个工作波长420~680nm为小于29°且大于-10°,相比常规的偏振分色合色系统,偏振像差得到了显著改善。     

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。     

渥拉斯顿棱镜的像差分析

根据光线在晶体中的轨迹公式,计算渥拉斯顿棱镜的像差。由微机选择适当的结构参数和棱镜偏转角,使像差最小,并得到了相应的成像点图。     

人眼像差仪中瞳孔自动跟踪的实现

瞳孔自动跟踪技术是通过对像差仪采集到的人眼图像进行图像处理,对准分子激光人眼屈光手术中患者眼球进行准确定位,消除患者眼球转动对手术造成的影响。该技术已用于人眼像差仪中,并取得了良好的效果。     

人眼像差探测哈特曼波前传感器的质心优化

为提高自适应光学系统中Hartmann-Shack波前传感器的动态测量范围和测量精度,对由CCD采集的波前光斑图进行了质心探测研究。介绍了波前传感器的工作原理,根据127单元传感器的结构特征和实际人眼光斑图的畸变特点,提出了一种动态定位光斑区域、动态分割区域内部阈值以及锁定最优探测窗口的自适应光斑质心探测方法。讨论了该方法中阈值等级选取对人眼光斑图质心探测的影响,并通过仿真和实验分析了算法的质心探测精度和算法对噪声影响的鲁棒性。实验结果表明,光斑区域内选取阈值等级为总等级数的(50±3)%时最合适;与其他方法相比,自适应质心探测方法的探测误差减小了60%以上;将该探测方法运用至自适应光学视网膜成像系统的波前传感器中,可将人眼像差RMS值从0.728λ闭环校正到0.081λ(λ=785nm),达到衍射极限,并获得视网膜图像。本方法针对光斑特征选择不同实验参数,弥补了传统算法的局限性,基本满足了人眼像差测量的可行性和实用性。     

人眼像差测量方法研究

由于人们对视力矫正的需求,近几十年来人眼像差测量技术得到长足进步。目前已经出现了可以重建波前的测量波像差的激光追迹技术,同步像差仪,哈特曼-夏克传感器,塔尔博特传感器,阴影像差仪,视网膜仪,主观追迹技术以及直接评价人眼视觉质量的干涉测量技术及双程法。现回顾和描述了各种技术的原理,并做了比较,同时提出了眼像差研究的发展方向。     

用于人眼像差探测的哈特曼波前传感器质心优化算法

为提高自适应光学系统中Hartmann-Shack波前传感器的动态测量范围和测量精度,对由CCD采集的波前光斑图进行质心探测研究。本文介绍了波前传感器的工作原理,根据127单元传感器的结构特征和实际人眼光斑图的畸变特点,提出了一种动态定位光斑区域、区域内部动态阈值分割以及最优探测窗口锁定的自适应光斑质心探测方法。讨论了该方法中阈值等级选取对人眼光斑图质心探测的影响,通过仿真和实验分析了算法的质心探测精度和对噪声影响的鲁棒性。结果表明：光斑区域内选取阈值等级为总等级数的(50±3)%时最合适;自适应质心探测方法相比于其他方法质心探测误差减小60%以上;将该质心探测方法运用至自适应光学视网膜成像系统的波前传感器中,可将人眼像差RMS值从0.728λ闭环校正到0.081λ(λ=785nm),达到衍射极限,并获得视网膜图像。本方法针对光斑特征选择不同实验参数,弥补了传统算法的局限性,基本满足了人眼像差测量的可行性和实用性。