基于Walsh函数调制的单帧图像深度学习相位反演技术

远场相位反演存在简并态,复原波前容易出现多解问题。相较于传统的迭代算法,结合了相位调制与深度学习的相位反演方法不仅显著降低了计算复杂度,还可有效地解决多解问题。这种方法实时性强,结构简洁,显示出其独特的优势。使用不同的沃尔什函数(Walsh)对相位进行调制,采取深度学习的方法训练卷积神经网络从调制后单帧远场强度图中获得第4~30项Zernike系数从而复原出原始波前,解决了相位反演多解问题。对于3~15 cm大气相干长度的湍流像差的残差波前,其RMS与原始波前RMS的比值可达7.8%。深入研究了Zernike阶数、随机噪声、遮挡以及强度图分辨率等多种因素对波前复原精度的影响。研究结果表明,这种基于深度学习的相位反演方法在复杂的环境中展现出了良好的鲁棒性。

基于解耦差分泽尼克待定系数法的二维横向剪切波面重建算法

横向剪切干涉术是一种自参考干涉计量技术,其原理是被检测波前与其自身被剪开的波前之间在重叠范围内相干涉,由干涉图得到两相互剪切波前的波前差,通过波面重建算法得到待测波面。在波面重建算法中,泽尼克待定系数法是其中的一种。分析了横向剪切干涉技术的测量原理;提出了一种新的基于解耦差分泽尼克待定系数法的二维横向剪切波面重建算法。理论分析和数值仿真表明,该算法简单直观,复原精度高,而且可用直角坐标系下的差分泽尼克多项式直接拟合环形波面。

拼接子镜系统计算机辅助装调研究

为了提高拼接子镜系统的装调精确度,研究了拼接子镜系统的计算机辅助装调技术,分析了拼接子镜系统的计算机辅助装调模型,采用反向优化法编写程序求解系统失调量.以37项泽尼克系数作为评价函数.当粗调误差在0.7°以内时,完全可以精确求解失调量.结果表明,求解结果准确度高,符合实际装调要求.

非球面扇形分块镜的拼接误差仿真与反演

根据红外望远镜2m非球面拼接主镜的要求,通过非球面方程导出波像差表达式,建立波像差与干涉亮纹之间的关系,建立ZEMAX模型,编写MATLAB程序对拼接误差与干涉条纹的泽尼克多项式像差之间的关系进行仿真.提出基于误差灵敏度矩阵实现误差线性反演的方法,建立整个拼接镜的误差反演算法,并对单个扇形分块镜的拼接误差进行反演.结果表明当拼接平移误差小于1mm或倾斜误差小于1°时,反演误差优于3%且迅速收敛,当拼接误差小于0.1mm或倾斜误差小于0.1°时,反演误差优于0.5%,且随着拼接误差的继续减小而趋近于零.该反演方法准确度高,算法简单,有效,适合工程应用.

基于稀疏孔径的波前重构算法

稀疏孔径技术是一种检测大口径光学系统的有效方法,采用干涉仪和包含若干反射镜的稀疏孔径阵列对光学系统进行波前检测。文章针对基于稀疏孔径的波前重构进行了研究,从平衡效率和精度入手建立了数学模型,编制了相关的波前重构算法,通过数学仿真模拟了光学系统检测过程,对数学模型和重构算法的技术可行性进行了验证。采用该算法对测得数据进行处理,可由若干子孔径波前重构得到全口径波前,并且各子孔径波前均是在一次检测中得到,无须对各子孔径进行多次定位调整,方法简单高效。

无波前传感自适应光学神经网络控制方法

针对无波前探测自适应光学系统,研究了基于神经网络的波前控制方法。建立了无波前探测自适应光学仿真模型,分别采用卷积神经网络(Convolution Neural Network,CNN)和普通神经网络(General Neural Network,GNN)作为控制算法,远场光斑图像为神经网络的输入信号,一定阶数的泽尼克模式系数为神经网络的输出,分析了波前校正效果。仿真结果表明,经过充分训练后的神经网络可以快速、准确地从远场光斑图像中复原出入射波前的低阶泽尼克模式系数,CNN的效果优于GNN,二者的损失函数值分别为0.015 8和0.037 6。相比于传统的迭代式寻优控制方法,神经网络控制方法能够基于远场光斑图像快速得到控制信号,在实时性方面有明显优势。

光学仪器 光学仪器装调

TH706 2005043174 利用离轴三反镜光学系统确定各镜的装调公差=Study on decision of alignment priority using mirror tolerance in a three mirror off-axis optical system[刊,中]／杨晓飞(中科院长春光机所,吉林,长春(130022)),韩昌元／／光学技术,-2005,31(2),-173-176 利用条纹泽尼克系数与赛德尔像差的关系,在三反镜光学系统的出瞳面上,用条纹泽尼克系数来表示系统的波像差。通过光学设计软件Zemax计算得到三反镜光学系统各镜的装调公差,以公差要求高的镜面作为装调基面, 从而减少要调整的自由度。通过分析泽尼克(Zernike)

基于离焦探测的波前复原方法

针对相位反演算法多次迭代、实时性较低的不足,提出一种基于离焦探测的深度学习相位反演方法。只需光电探测器实时测量一帧离焦光斑数据作为网络输入,用泽尼克系数作为网络的输出,即可用训练好的模型快速进行波前复原。建立了数值仿真模型,分析了光电探测器像素数和训练数据集大小对网络模型复原精度的影响。研究结果表明,经过充分训练后,网络模型的损失函数最低可以达到0.0177,能够较为准确的进行波前复原,波前复原残差的均方根为0.3526,泽尼克系数残差均方根为0.0530,且随着光电探测器像素数和训练数据量加大,波前复原越来越准确。

CRT角膜塑形镜短期内镜片参数调整原因及调整效果分析

目的:探讨Paragon角膜屈光矫治类(CRT)角膜塑形镜配戴早期镜片参数调整原因,并分析调整参数后的效果。方法:回顾性系列病例研究。从2018年4月至2021年5月在北京大学人民医院眼视光中心验配CRT角膜塑形镜的患者中,随机选取符合纳入标准的近视患者65例(90眼)的眼部参数进行分析。比较镜片调整前后的镜片参数,分析镜片参数调整的原因,进一步通过自行编写的Matlab程序,计算调整镜片参数前后的角膜塑形镜形成的治疗区面积(TZA)、治疗区偏位(TZD)、治疗区内加权泽尼克离焦系数(C_(weighted defocus))等变量。根据镜片参数调整原因将患者分为视力不良组、角膜点染组和TZA大组,对总体及各组内调整前后TZA、TZD和C_(weighted defocus)的比较行配对t检验分析。结果:在纳入的90眼中,因角膜点染调整镜片参数28眼(31%),因原镜片的TZA大而调整镜片参数41眼(46%),因视力不良调整镜片参数21眼(23%)。调整镜片参数前后矢高变化量为(6.59±30.85)μm。TZA调整前(12.88±3.69)mm^(2),调整后(11.77±3.17)mm^(2),变化量为(-1.11±3.01)mm^(2);TZD调整前(0.63±0.31)mm,调整后(0.57±0.29)mm,变化量为(-0.07±0.28)mm,TZA、TZD调整前后差异均有统计学意义(t=-3.50,P=0.001;t=-2.29,P=0.024)。C_(weighted defocus)调整前(0.44±0.20)D/mm^(2),调整后(0.49±0.19)D/mm^(2),变化量为(0.03±0.20)D/mm^(2),差异无统计学意义(t=1.16,P=0.190)。结论:CRT镜片参数调整主要原因为TZA过大、角膜点染和视力不良。参数调整后镜片偏位改善,TZA缩小。

用像差逐项优化法装调离轴三反射镜光学系统

在对复杂光学系统粗装调完成之后 ,利用自准干涉检验的办法 ,采集光学系统各视场的干涉图 ,然后用干涉条纹分析软件算出整个系统波前误差 ,其量值用泽尼克系数来表示 ,通过泽尼克系数与系统的波像差的关系 ,判断要调整的目标值 ,即当前在光学系统中占主导地位的波前误差 ,对主导误差优化 ,得到系统的失调量 ,由光学设计软件确定其正确后 ,进行一次精密装调。然后进行多次这样的计算机迭代和优化 ,直到光学系统达到最好的调整状态。运用此方法来装调大口径 ,长焦距离轴三反射镜系统 ,在波长λ等于 6 32 .8nm时 ,该离轴三反射镜系统中心视场波像差均方根值达到了 0 .0 94λ ,+1°视场和 - 1°视场的均方根值分别为 0 .10 6λ和 0 .12 5λ。

基于双线空间像线宽不对称度的彗差测量技术

在高数值孔径、低工艺因子的光刻技术中,投影物镜彗差对光刻质量的影响变得越来越突出,因而需要一种快速、高精度的彗差原位测量技术。为此提出了一种新的基于双线空间像线宽不对称度的彗差测量技术,利用国际上公认的半导体行业光刻仿真软件PROLITH对该方法的测量精度进行了仿真分析。结果表明,与基于硅片曝光的彗差测量方法相比,基于空间像的彗差测量技术速度上的优势十分明显。其测量精度优于1.4 nm,较国际前沿的多照明设置空间像测量技术(TAMIS)提高30%以上,测量速度提高1/3左右。在ASML公司的PAS5500型步进扫描投影光刻机上,多次测量了投影物镜彗差,结果表明,该技术测量重复精度优于1.2 nm,能实现高精度的彗差原位测量。

投影物镜偏振像差对光刻成像质量影响的解析分析方法

提出一种分析线性偏振照明条件下投影物镜偏振像差对交替相移掩模(Alt-PSM)空间像影响的解析方法。基于矢量光刻成像理论,从掩模空间像的光强分布推导出偏振像差引起的空间像图形位置偏移误差(IPE)和最佳焦面偏移(BFS)的解析表达式,实现了各个泡利-泽尼克偏振像差对空间像影响的解析分析。建立了IPE与奇像差项泡利-泽尼克系数和BFS与偶像差项泡利-泽尼克系数间的线性关系。通过光刻仿真软件模拟验证了解析分析结果的正确性,并用最小二乘法评估了线性关系的精确度。

利用离轴三反镜光学系统确定各镜的装调公差

利用条纹泽尼克系数与赛德尔像差的关系,在三反镜光学系统的出瞳面上,用条纹泽尼克系数来表示系统的波像差。通过光学设计软件Zemax计算得到三反镜光学系统各镜的装调公差,以公差要求高的镜面作为装调基面,从而减少要调整的自由度。通过分析泽尼克(Zernike)系数在公差范围内的变化幅度来确定光学系统在出瞳面上各个像差的变化幅度,用该幅度的变化量来决定主次三镜各自由度在各个方向上的敏感度,最终确定各个自由度的优化调整级别。对一大口径无遮拦离轴三反镜光学系统进行了装调,在波长λ=632.8nm的条件下进行了检测。结果表明:整个光学系统全视场波前误差的均方根值RMS=0.108λ。

基于交替相移掩模矢量空间像的偏振像差检测方法

提出一种基于交替相移掩模空间像的光刻机投影物镜偏振像差检测方法。采用泡利-泽尼克系数表征偏振像差,结合X和Y两种线性偏振照明方式,用像传感器测量不同照明条件下掩模空间像的成像位置偏移与最佳焦面偏移,利用标定的偏振像差灵敏度矩阵计算获得泡利-泽尼克系数。采用光刻仿真软件对本文方法的有效性进行了验证,结果表明其检测精度优于3.07 mλ。

拼接式望远镜光学系统及其子镜失调误差仿真

为了完成直径2 m拼接红外相机的项目,采用圆形子镜加抛物面扇形分块镜的主镜拼接方案,完成了相机的光学系统设计;为了分析拼接失调误差对望远镜系统的影响,通过主镜的抛物面方程导出了拼接误差的波像差表达式,由此建立了波像差与干涉亮纹之间的线性关系,并在光线追迹的基础上,利用泽尼克多项式对其进行了仿真和验证,提出了基于泽尼克多项式实现拼接误差的线性反演方法,通过编写Python程序模拟了单个子镜拼接过程中的误差反演。结果表明当拼接平移误差小于0.1 mm(或倾斜误差小于0.1°)时,采用干涉检测的方法,得到的反演偏差优于0.5%,且随着拼接误差的继续减小而趋近于零。

一种基于二阶灵敏度矩阵的离轴望远镜装调法

如何检测光学元件的偏心和倾斜误差是离轴望远镜系统装调中的一个关键问题。针对这一问题,提出了一种二阶灵敏度矩阵法。在偏心范围为(-3 mm,3 mm)和倾斜范围为(-3 mrad,3 mrad)时,绘制了Zernike系数与失调误差的关系曲线,该曲线与数据间的拟合优度都大于0.99,并求解出两个灵敏度矩阵,依据矩阵进行仿真实验,结果表明,x,y轴的均方根值分别为0.0023 mm和0.0043 mm,倾斜均方根值分别为0.0177 mrad和0.0031 mrad。仿真实验验证,与传统的灵敏度矩阵法相比,该方法具有更高的精度。

二次光栅在波前测量中的应用

采用一种特殊的二次光栅用于激光波前测量,它对非零级衍射光束具有不同的聚焦效应,其光栅线为圆弧型而非直线。导出了在会聚光束情况下的两平面成像在单一像平面上的距离关系,实验上实现了二次光栅用于会聚光束的波前测量,测量得到会聚光束具有较大的散焦(-2.93λ)和球差(1.34λ),与该透镜引起波前的离焦像差理论理想值(-2.695λ)基本符合。该技术可以实现波前的高空间分辨力和高精度实时测量,大大减少光学元件数量,降低装置成本。由于大功率激光束的不稳定性,其波前变化非常快,所以该方法的实时性非常适合于这种波前变化的测量。

一种基于线性模型的光刻投影物镜偏振像差补偿方法

提出一种基于线性模型的光刻投影物镜偏振像差补偿方法。根据Hopkins矢量部分相干成像理论,推导了投影物镜含有偏振像差时交替型相移掩模(Alt-PSM)光栅图形的空间像光强分布以及偏振像差引起的光栅图形成像位置偏移(IPE)与最佳焦面偏移(BFS)的解析表达式。利用该解析表达式建立了偏振像差与光栅图形成像质量(IPE、BFS)的线性模型。通过该线性模型能快速计算偏振像差线性灵敏度,调整控制相应的标量像差补偿量,从而减小偏振像差对光栅图形成像质量的不利影响,实现偏振像差补偿。该方法的补偿效果主要与标量像差调整精度以及光栅图形对标量像差的灵敏度有关。仿真结果表明,该补偿方法能有效地减小偏振像差引起的IPE以及不同栅距的光栅图形的BFS差值,从而提高光栅图形成像质量。

基于空间像峰值光强差的奇像差测量技术

提出一种基于空间像峰值光强差的光刻投影物镜奇像差测量技术。根据Hopkins部分相干成像理论,推导双缝图形空间像光强分布以及峰值光强差的解析表达式。该测量技术以双缝图形为测量标记,以空间像峰值光强差为测量对象。与基于成像位置偏移量的奇像差测量技术相比,基于峰值光强差的奇像差测量技术降低了对空间像定位精度的要求,并且高精度的光强度测量有效地提高了该技术的奇像差测量精度。利用光刻仿真软件PROLITH分析了传统照明与二极照明方式下该技术的奇像差测量精度,仿真结果表明采用二极照明具有更高的测量精度。以彗差Z7为例,在传统照明和二极照明方式下,Z7的测量精度分别达到了0.29nm与0.19nm。