扫描全息术中菲涅耳波带板的衍射问题分析

对扫描全息术中作为编码孔径的菲涅耳波带板的衍射问题进行了数值计算和实验观测。对波带板的菲涅耳衍射积分方程进行了数值求解,在计算时考虑了透镜的位相调制作用;为了使分析问题直观、数值计算简化,通过对比有透镜时波带板的衍射强度分布,求解出无透镜时具有相同分布的等效距离,同时引入了菲涅耳虚衍射面的概念;为了定量描述波带板的衍射效应,定义了临界衍射距离;为了验证数值计算的正确性,在实验中观测并记录了透镜焦距、波带板环数和半径对临界衍射距离的影响;对发散球面波入射时临界衍射距离的变化也进行了讨论。数值计算和实验观测结果对波带板扫描全息成像系统中编码孔径的结构设计、成像物体与透镜的距离以及透镜焦距的选取具有指导意义。     

菲涅耳透镜的通光分析及设计方法探讨

研究了菲涅耳透镜成像质量差的原因,提出一种改进的方法,即改善轴外点的成像质量以增大菲涅耳透镜的视场。分析了三种常用的设计菲涅耳透镜的方法,用光学设计软件Zem ax模拟设计结果,对三种设计方法进行比较。得出结论:像面为曲面时可校正场曲;基面和底面为曲面的菲涅耳透镜与平面型菲涅尔透镜相比彗差较小。     

沟槽变异对菲涅耳透镜光学效率的影响

菲涅耳透镜以其良好的成像功能和很高的光学效率,广泛应用于教育投影仪、背投电视等大型成像设备。然而,出射面环形沟槽轨迹的不连续性给菲涅耳透镜的加工带来了诸多困难。为此,本文提出用连续阿基米德螺旋沟槽代替传统的同心环形沟槽,并从光学效率方面对它们进行了比较,计算结果验证了用螺旋沟槽代替同心环带沟槽的可行性,为螺旋沟槽型菲涅耳透镜的设计和制造提供了理论依据。     

菲涅耳透镜的实际像差计算

本文阐述了菲涅耳透镜实际像差的计算,並给出了在相同条件下,菲涅耳透镜和球面透镜系统实际像差计算结果的对比。同时指出了菲涅耳透镜实际像差的特点。     

菲涅耳透镜

菲涅耳透镜俗称螺纹透镜。其基本原理是将普通的透镜分割为众多小棱镜,再展成平面而成。菲涅耳透镜加工技术包括超精加工、微机精密控制、天然金刚石刃磨、光学塑料精密成型等多项技术。此种透镜的材料采用光学塑料,因此,菲涅耳透镜具有体积小、重量轻、成     

短焦距折衍射变焦成像系统中菲涅耳波带片的设计与分析

在折衍射变焦成像系统中,菲涅耳波带片(FZP)的上下两块电极图形是完全对准的。但是在短焦距折衍射成像系统中,FZP最小环带间距已达到微米级,导致上下两块电极图形中心对准极为困难。为减少对准误差,将上基板电极设计成环状图形,下基板设计为一个平板电极。应用衍射光学方法从理论上对此设计进行了分析,并与上述上下两块电极图形完全对准的设计方式对成像系统的影响进行比较,结果增加了焦点数目。     

高分辨率X射线衍射光学元件

评述了BESSY研制的用于X射线聚焦的各种衍射光学元件。基于布拉格-菲涅耳光学元件,设计了高效高分辨率X射线聚焦和色散光学元件。描述了对长焦距布拉格-菲涅耳透镜与可变曲率半径反射镜组合所做的实验研究。用一块反射菲涅耳波带板作聚焦和色散光学元件进行了短脉冲X射线吸收谱(XAS)的测量。     

菲涅耳-夫琅和费衍射区的过渡判据

区分菲涅耳和夫琅和费衍射是光学中一个基本且又十分有意义的问题。然而从菲涅耳衍射到夫琅和费衍射的过渡条件判别,多数文献是通过实验、或者数值计算和模拟仿真给出结论的。基于标量衍射理论,通过数学分析,得到了从菲涅尔衍射过渡到夫琅和费衍射的判别条件(即菲涅耳数的值F=0.203),其结果和一般文献(F=0.223)相一致。     

菲涅耳透镜对平行光的成像特性分析

利用光线追迹与实验的方法 ,对菲涅耳透镜在平行光照明时的成像特性进行了分析。给出了在各种角度入射情况下的最佳像点位置及像点弥散斑大小 ,通过对结果进行分析 ,得出了最佳像面曲线及其特征与参数。并讨论了它们与菲涅耳透镜参数的关系。     

同轴双光束调制热透镜的理论研究

利用菲涅耳衍射理论提出了一种同轴双光束调制热透镜的理论模型,给出了探测面的热透镜信号表达式。计算了同轴双光束调制热透镜信号的横向分布,并分别讨论了激励光和探测光腰斑大小、样品位置和探测距离对信号的影响。     

紫外成像器件中衍射微透镜阵列设计与研制

为了提高紫外成像器件的填充因子,解决凝视型高性能紫外成像器件的核心技术问题,根据标量衍射理论设计了用于128×128日盲型紫外成像器件的微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备衍射微透镜阵列,对具体的工艺流程和制备误差进行了分析,测量了衍射微透镜阵列的光学性能。实验结果表明:衍射微透镜阵列的衍射效率为86%,与理论值95%有偏差,制备误差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列的整体性能满足了微透镜阵列与紫外成像阵列的单片集成要求。     

Profile evaluation of radial Fresnel lens directly machined on roller molds by rotating-tool diamond turning

In Roll-to-Roll manufacturing of high-quality optical Fresnel lens films, a high-precision roller mold with super-fine surface quality is essential to precisely transfer the functional microstructures from the periphery roller surface onto the flexible substrate. Unfortunately, direct diamond turning of deep circular grooves on the periphery surface of a roller mold was considered infeasible. Recently, the team has developed a novel 4-axis interactive tool-workpiece motion, Rotating-tool diamond turning (RDT), as a solution to overcome this challenge. Experiments were conducted to justify the capability of the proposed RDT process by directly machining a radial Fresnel lens on a brass roller mold, but without precise 3D profile evaluation of the lens on the roller surface. On-machine measurement of the machined lens structures using 3D touch probe is not applicable because the diameter of the probe is relatively large to penetrate into steep grooves of the Fresnel lens. On the other hand, off-machine measurement using stylus profilometer will introduce inevitable alignment errors during the measurement and lead to mismatched machining and measurement coordinates, making it difficult to evaluate the 3D lens profile generated by the RDT process eventually. In this study, a compensation and comparison algorithm is presented to precisely evaluate the form error between the machined and designed features in a three dimensional manner. Alignment errors generated when positioning the roller mold on the stylus profilometer are investigated and quantified through analyzing the characteristics of this unique micro structure with Fresnel lens wrapped on the roller periphery. As a conclusion, the machined lens structure is compensated and restored to compare with the designed profile, and the form error is obtained with the sources of errors analyzed. Such profile compensation and comparison method can be applied in other measurement and characterization studies on evaluation of complex optical structures patterned on roller molds for Roll-to-Roll manufacturing of advanced functional films.     

大视场菲涅尔透镜的聚光效率模拟和分析

大视场菲涅尔聚焦透镜在180°的范围内各个视场下均能实现较理想的聚焦。根据现有的大视场菲涅尔聚焦透镜的设计结果,利用Zemax软件在非序列环境下自定义面型的功能对该设计进行模拟分析。模拟菲涅尔透镜在不同方向的平行光照射下的聚焦情况。通过对不同方向的光线照射下探测器接收到能量的情况进行分析,得到了相应的聚光效率,为设计的可行性提供了分析依据。     

折-衍混合长焦深光学元件焦深特性分析

为明确长焦深元件的焦深扩展倍数及焦深内轴向光强分布特点与系统结构及参数间的关系,分析了基于能量守恒法获得的对数光锥位相函数的特点,建立了长焦深元件焦深与系统f/#及衍射元件浮雕深度间的函数关系,基于菲涅耳衍射公式分析了不同参数时元件的轴向光强分布规律。仿真结果表明：在给定波长及焦距的条件下,折-衍混合长焦深元件相对同f/#的球面折射透镜的焦深扩展倍数取决于衍射元件的浮雕深度,其值越大,焦深扩展倍数越大,焦深内轴向光强分布越接近平顶分布;焦深一定时,小f/#系统更易获得焦深内轴向光强的平顶分布。     

基于菲涅尔透镜的室内LED射灯配光设计

为了将LED发出的光均匀投射到3m远直径为1m的圆形区域内,设计了一种LED(发光二极管)射灯。采用菲涅尔透镜对射灯进行二次光学配光设计,并通过调整菲涅尔透镜的各个独立环带的倾角来优化投射光的分布。文中对菲涅尔透镜的投光效果、安全性和加工误差等方面进行了考察,结果表明设计是安全的、可靠的并具有良好的投光效果。     

Spatial-energy characteristics of the focal areas of bifocal diffractive-refractive intraocular lenses

Computer simulation was performed for the measurement process of the parameters of MIOL-Akkord bifocal diffractive-refractive lenses in which the central area of the diffractive element is reduced and spherical aberrations of the eye are compensated. The spatial-energy characteristics of an ideal diffractive lens are preliminarily calculated using existing formulas. The simulation of the process of controlling the intraocular lens parameters has shown that the intensity distribution along the optical axis does not characterize the diffraction efficiency, which is the total (integrated) intensity in the beam cross section at the focus. It has been found that due to the mutual influence of diffraction orders, it is difficult to measure the absolute diffraction efficiency and it is better to evaluate only the relative efficiency.     

蜂窝式阵列菲涅尔透镜的配光设计

单元结构、阵列排布和偏转控制是阵列菲涅尔透镜的三个重要因素。单元结构采用了棱镜加菲涅尔透镜结构,排布方式引入蜂窝式阵列,构成蜂窝式阵列菲涅尔透镜。该透镜可以将准直光源发出的光线投射到1m远、直径为30mm的圆形区域内并形成特定图形。通过调整菲涅尔透镜的各个独立环带的倾角,以及每个菲涅尔透镜的背侧光面倾角的优化,实现了一款蜂窝式阵列菲涅尔透镜的光学设计。通过光学仿真分析,结果表明该设计方法灵活可靠,光线控制效果良好,具有实现图像级配光的能力。     

薄膜沉积多级衍射光学元件的微型制作与误差标定的研究

应用光刻和薄膜沉积技术,制作了多级衍射光学元件。对制作误差和影响误差的因素进行了分析。给出了改善对准误差的标校方法,并在实际的多级衍射光学元件制作过程中得到验证。     

红外3.2～4.5μm波段折射/衍射光学系统的减热差设计

研究了折射/衍射光学元件的温度效应及红外系统的设计理论及具体实例,给出了在红外3.2～4.5μm波段,5°视场范围,冷光栏效率100%,在-40～80℃温度变化范围情况下的红外混合减热差系统的设计结果.结果表明,使用折射/衍射光学系统的减热差设计方案,可令相应的传统光学系统减少一片元件,并且节省了昂贵的硒化锌红外材料.不仅能在较大视场内得到接近衍射极限的成像质量,较宽的温度工作范围,而且结构简单,体积小,重量轻.     

X射线成像波带片及制作

研究了X射线成像波带片的工作原理和制作工艺。从理论上分析了波带片的空间分辨率与最外环宽度的关系,以及波带片衍射效率与厚度和折射率的关系。利用国家同步辐射实验室发展的加工工艺,即电子束光刻技术和X射线光刻技术结合制作波带片。实验结果表明:波带片最外环宽度为150 nm,高宽比为4,基本满足高分辨X射线成像波带片的高空间分辨率、大高宽比、高精度等要求。