基于可调光焦度器件的变焦内窥物镜光学设计

针对内镜外科手术中局部病灶图像不易获得的问题,提出一种基于可调光焦度器件的光学变焦内窥物镜光学设计系统.该系统基于Gauss括号法和内窥物镜变焦原理,推导分析可调光焦度器件的变焦内窥镜的一阶光学控制方程.应用一阶变焦光学理论的解析解和光学设计软件ZEMAX,对内窥镜3个典型变焦位置进行优化设计和成像评价,分析其光学成像能力.结果表明,基于可调光焦度器件的变焦内窥物镜对人体内壁组织变焦放大后具有辨别能力.该光学系统具有无组件移动、响应频率快和体积构造小等优点,可提高内窥镜治疗技术在外科治疗诊断的准确率.

GRIN色散物镜光学像差对峰值波长提取的影响

为提高光谱共焦位移传感系统接收信号峰值波长提取精度,基于设计的梯度折射率(Gradient Index,GRIN)色散物镜,系统分析了光学像差对峰值波长提取的影响。首先结合GRIN色散透镜的光学性能,利用光学像差理论,建立了优化后GRIN色散物镜的像差分布函数,获得了各类像差与波长分布之间的关系;然后仿真分析了各类单色像差以及组合像差对峰值波长分布的影响,利用三种拟合算法分别提取存在不同像差下的峰值波长,得到了光学像差引起的GRIN色散物镜峰值波长偏移;最后利用不同的拟合方法对像差影响下的轴向响应信号进行了数据拟合和拟合误差分析。结果表明,球差为1时,引起峰值波长偏移6.28 nm;当球差大于1时,出现双峰,球差越大引起的峰值波长偏移越大;像散对峰值波长偏移的影响小于球差;组合像差对峰值波长的影响最大,出现了三峰旁瓣同时升高。研究结果对建立像差影响的峰值波长提取误差修正和补偿算法,并进一步提高系统测量精度具有参考意义。

高数值孔径投影光刻物镜的光学设计

针对45nm节点投影光刻物镜的应用,开展了工作波长为193nm的深紫外浸没式高数值孔径（NA）投影光刻物镜的研究和研制。设计了数值孔径（NA）为1.30的离轴三反射镜投影光刻物镜和NA为1.35的同轴两反射镜投影光刻物镜,并对两个设计方案的优劣进行对比分析,选择了同轴式结构作为最终的设计方案。分析了系统在不同NA情况下可变光阑与其远心度之间的关系,提出了用双可变曲面光阑的设计方案来优化系统的远心度。实验表明,应用本文设计方案,光刻物镜的波像差小于1nm,畸变小于1nm;新型的可变光阑使系统NA在0.85～1.35变化时的最大远心度由5.83～17.57mrad降低至0.26～3.21mrad。本文提出的设计方案为45nm节点高数值孔径投影光刻物镜的研制提供了有益的理论依据和指导。

宽光谱、长焦距准直物镜光学设计

介绍了大视场、宽光谱、长焦距微光准直物镜的光学设计。重点讨论了宽谱段准直物镜的二级光谱校正及像差平衡问题,并用Zemax软件,进行了光学设计。设计结果:系统的二级光谱为0.1 mm,其他像差也达到了像质要求。

复消色物镜的波差法光学设计

采用波差法进行复消色物镜的光学设计。以球差与波差、色差与波色差的关系为基础,推导出了波差与结构参数之间的关系方程式。运用得到的方程式来计算初始结构,可以充分发挥用计算机编程处理复杂问题的优势,使复杂的计算问题能够快速解决。针对光学设计中的两大难点之一——复消色大口径长焦距平行光管物镜的设计,利用自行编写的光学设计程序,采用低价的国产玻璃成功地设计出高质量的复消色大口径长焦距平行光管物镜。同理,选取不同的玻璃组合,也能设计出高质量的复消色摄影物镜。最后给出多个设计实例对采用的设计方法进行了验证,结果表明,采用波差法进行复消色物镜的光学设计简单易行,且设计的物镜质量高,成本低。

目视观察和CCD探测两用显微物镜

CCD探测器已经在光学仪器中得到广泛的应用，人们提出了研制目视观察和CCD探测两用显微物镜。它是一种短筒长、长工作距离的特种显微镜．本文对它进行了详细讨论，并给出了低格、中倍和高倍率的设计结果。我们深信，这种显微物镜在各种领域的应用潜力是巨大的．

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。

5^×光学补偿长波红外连续变焦物镜系统

介绍了一个变倍比5×的长波红外连续变焦物镜系统的设计结果,该系统采用光学补偿的变焦方式。光学系统的F#和探测器的相匹配,恒定为2,冷屏效率100%。对4个视场严格校正了像差,各个视场的MTF曲线均接近衍射限。采用二次成像方式对光学系统的横向尺寸进行了约束,通光孔径被约束在φ134 mm以内。为了进一步减小系统的轴向尺寸,对系统的光路进行了折转。光路折转两次后,系统的体积约为290 mm×165 mm×140 mm。

高数值孔径投影光刻物镜波像差的自动平衡优化

考虑高数值孔径(NA)投影光刻物镜视场较大、波像差分布不均匀,本文提出了一种自动优化设计方法来降低设计过程中出现的全视场最大波像差。该方法通过将一个自动调节采样视场权重的循环程序附加在光刻物镜的局部优化程序之外来自动平衡全视场的波像差,进而降低全视场的最大波像差。设计实例证明,运用该方法后光刻物镜全视场波像差的均匀性显著提高,最大波像差降低为原来的63%。该方法在光学设计软件Code V中有良好的应用效果,应用该方法不但能节省光刻物镜设计者的时间,而且会降低设计对设计者设计经验的依赖性。同时,该方法也可推广应用在其他对成像质量要求较高的光学系统设计中。

光谱共焦显微镜的线性色散物镜设计

由于色散物镜轴向色散与波长间的非线性会导致仪器整体性能下降,本文研究了光学系统轴向色散与透镜组之间的关系,推导了轴向色散的传递公式。为得到较大的线性轴向色散,根据轴向色散的传递公式提出了一种正负透镜组均采用线性色散光焦度组合且正负透镜组分离的镜头结构。光学优化设计表明,具有正负透镜分离结构的色散物镜可以得到低的球差和大的轴向色散,而且具有较大的工作距离。设计的色散物镜在430～710nm得到了1mm的轴向色散,轴向色散与波长之间的相对非线性度为4.6%,灵敏度的波动量小于整体的1/3,优于之前的研究。采用所设计的色散物镜,光谱共焦显微镜能够得到优于0.3μm的轴向分辨率和优于5μm的横向分辨率,满足精密测量的需求。

大时间热响应常数投影物镜的超高精度温度控制

为满足高分辨率光刻机控制大时间热响应常数投影物镜温度时响应速度和超高精度的要求,设计了前馈——串级水冷投影物镜温控系统。该系统以物镜为主控对象、冷却循环水为副控对象。针对物镜的慢动态温度变化特征,采用模型预测控制作为外环主控制算法;针对冷却水远传回路的纯时滞特性,采用带Smith预估器的PID控制作为内环副控制算法;为解决光刻机在不同工况下激光光路对物镜温度的严重扰动,引入前馈补偿控制激光热扰动。最后,在不同控制结构和热干扰条件下,进行了模拟物镜温度控制实验。结果显示,物镜温度稳态误差曲线在±0.01℃内波动。实验证明该系统极大地提高了物镜的温度收敛速度,具有较强的抗干扰能力,能满足物镜的超高精度温度控制要求。

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产生莫尔条纹;并对上述4个系统产生的莫尔条纹做了模拟。利用Zernike多项式对莫尔条纹进行拟合得到干涉曝光系统的波前像差,比较了4个系统的差异。结果表明,采用离轴抛物镜/洛埃镜系统制作中、小口径平面全息光栅是最为合适的。在此基础上,研制了用于制作最大尺寸为110 mm×110 mm,刻线密度〉1 200 l/mm的平面全息光栅的离轴抛物镜/洛埃镜干涉曝光系统,在洛埃镜和离轴抛物镜面形精度为λ/8（λ=632.8 nm）的前提下,平面全息光栅的衍射波前像差为0.239 6λ（λ=550 nm）。此系统经过消除外界扰动和精细装调后,可用于制作衍射波前像差达λ/6~λ/7（λ=550 nm）以上的平面全息光栅。

折/衍混合Petzval光电摄像物镜设计

以传统的5片可见光波段 Petzval物镜为基础, 设计了一个折/衍混合的可见光波段 Petzval物镜。该物镜的主要光学参数为f′=101.5 mm,F/#=1.60,HFOV=6.79°,仅由两种材料、三片元件组成,包含一个二元面和一个非球面,重量只是传统物镜的 30%,而且像差特性也有很大改善,系统中心视场的成像质量所对应的空间频率大于20 lp/mm,满足现代摄影和光电摄像的要求。

含三次位相元件照相物镜的设计

设计了一个光学/数字成像系统,该成像系统利用三次位相元件辅以数字图像处理技术,在保持系统光通量及分辨率不变的前提下,提高了光学系统焦深。进行了仿真实验,实验以传统的双高斯型照相物镜为光学系统模型,选取焦点及离焦-1.6λ(λ=550 nm)近似-6.4倍焦深两个成像位置。对比分析了传统光学系统及光学/数字系统的焦点位置调制传递函数(MTF)、离焦1.6λ处调制传递函数(MTF)及在瑞利判据±100倍焦深范围内的离焦传递函数。通过光学设计软件CODEV9.7新增图像模拟功能,得到了光学系统的模拟成像结果。利用自编图像处理程序,得到最终的成像结果。结果表明,该光学/数字成像系统确实能够有效扩大光学系统焦深6倍以上。

光刻投影物镜中的透镜X-Y柔性微动调整机构

针对光刻投影物镜中透镜X-Y调整机构调整量程小、调整精度高的特点,提出了一种基于柔性铰链的X-Y微动调整机构,并将其应用在光刻投影物镜模型中进行了实验验证。首先,基于机构自由度和机构瞬心等概念介绍了该机构的工作原理。然后,用柔性铰链代替传统铰链完成了该机构的结构设计,并对该机构的运动方向刚度、位移输入-输出比以及固有频率和阵型等进行了仿真分析。分析结果表明:该机构X,Y方向的刚度值为1.99μm/N和1.96μm/N,X,Y方向的位移输入-输出比值分别为-2.5和-2.56,机构X,Y方向运动的原理误差分别为实际量的8.22%和6.68%。最后,将研制的X-Y微动调整机构用于光刻投影物镜验证模型中,给出了X-Y调整机构补偿前后的系统波像差。结果显示:模型补偿前后的系统波像差RMS分别为50.864nm和25.933nm。由此表明,本文设计的柔性微动调整机构补偿效果明显,能够满足光刻投影物镜高精度X-Y调整补偿要求。

利用光纤传像束的内窥镜物镜设计

光纤传像束用于内窥镜时,对内窥镜物镜的结构型式和成像质量提出了新的要求。在分析了其基本设计原则后,根据实际需求,选用反远距型物镜作为初始结构,利用Zemax软件优化设计了一个工作波段0.38~0.78μm,焦距0.921 mm,全视场100°、相对孔径1/4的内窥镜物镜。镜头总长10.32 mm,满足像方远心要求,在38 lp/mm频率处MTF值在0.85以上,像质优良;同时,在Tracepro软件中建立了所设计物镜与光纤传像束结合后系统的模型,模拟的系统耦合效率约为96%且出射端照度均匀。结果表明：该物镜具有视场大、短焦距、结构合理、耦合效率高、像面照度均匀等特点,满足内窥镜要求。

近紫外-可见光宽波段复消色差显微物镜设计

设计了波段300nm～500nm,放大倍率为10×,NA=0.3的近紫外-可见光显微物镜,用于观测激光照射核聚变的成像过程。该系统采用透射式结构,通过P、W设计方法和CODE-V软件的优化,实现了系统的复消色差,较好地解决了紫外光学材料种类少、折射率低带来的像差校正困难和光学系统效率不高的问题。

彩色共焦系统可调制色散物镜设计

针对彩色共焦距测量系统中测量范围和分辨率的调制问题,采用色散和聚焦功能分离的思路设计了一款色散物镜,其色散功能由纯球面折射透镜组成的色散管镜来实现,聚焦功能则采用商业物镜实现。使用ZEMAX软件对色散管镜的结构、材料及像差进行了设计及优化,仿真结果显示所设计的色散管镜在可见光范围内能获得优于230mm的轴向线性色散,实际加工的成品管镜的轴向线性色散范围可达160mm。实验测量了色散管镜及它结合不同聚焦物镜后的色散特性。实验结果表明,色散管镜结合不同聚焦能力的物镜能够具有高线性度的轴向色散区域;结合4倍和10倍放大倍率的商用物镜,分别获得了1 300μm和225μm的测量范围,其轴向分辨率分别为2μm和0.4μm,实现了测量范围和分辨率的调制。

航空相机物镜动态光机热分析与设计

环境温度动态变化时,物镜系统内部出现的温度梯度会导致镜片的折射率、厚度、曲率半径等参数出现非均匀变化,从而造成像质的下降。通过采用合理的温控方案,可以有效地减小物镜温度梯度以改善像质。本文利用光机热集成分析方法,针对一套完整航空相机物镜系统给定的动态温度环境,仿真了航空相机在飞机升空过程中物镜的温度场分布,并据此设计了温度控制方案,提取了相应的物镜面形。利用物镜面形的Zernike系数,得到了物镜系统的MTF以实现动态温度条件下的像质评价。结果表明,设计的温控方案可以有效地减小物镜系统径向和轴向的温度梯度,从而改善物镜性能以满足高分辨成像的要求。