消像差光栅的理论及实验研究

对消像差光栅进行了理论和实验研究。用光程函数和费马原理研究光栅的成像,用刻槽分布函数表示光栅的刻槽曲率及间距变化。对成像的理论分析表明光栅刻槽分布函数比刻槽间距更容易表达像差,给出了消像差光栅的表达形式。比较了SD、WFA、LPF等光栅的参数优化方法。探讨了消像差光栅密度的干涉测量法,设计了光路,对光栅密度进行了测量。

消像差条件在共形光学系统中的应用

根据轴对称光学系统中的消像散条件探讨了共形整流罩结构中消像散万向节点位置的存在性.在此基础上,对共形光学系统中消像差万向节点位置进行了理论推导.软件分析结果表明,轴对称光学系统消像差条件对于共形光学系统的设计仍有良好的指导意义,由此得到的"消像差"共形光学系统的残余像差已处于实际成像系统的像差校正能力范围之内.

光谱仪用平场凹面光栅的凸面母光栅的消像差设计思路

平场全息凹面光栅是光谱仪中的核心元件之一,其成像质量和衍射效率直接影响了光谱仪的分辨率和光能利用率。利用凸面母光栅复制制作凹面光栅,便于在凸面基底上进行离子束刻蚀以获得高的衍射效率。为了保证复制的凹面光栅具有高的成像质量,文章提出一种全息凸面光刻胶光栅的消像差设计方法,优化中考虑了凸面基底对记录光束的折射效应以及由基底折射率所引入的附加光程。通过将"光程函数级数展开法"和ZEMAX光学设计软件相结合,采用粗精两步优化的方法,显著提高了优化的效率和成功率。ZEMAX对比仿真结果显示,复制得到的凹面光栅与传统直接采用全息法制作的凹面光栅的成像质量是相当的。

消像差Offner成像光谱仪的研究进展

为了获得消像差Offner成像光谱仪,以三镜系统为基础综述了Offner成像光谱仪的各种消像差方法,介绍了由两块不同曲率半径凹面镜与凸面光栅构成的Offner成像光谱仪和狭缝与刻槽成不同方向的Offner成像光谱仪的消像差方法,并得到面内结构及正交结构两种成像光谱仪结构,其中正交结构在消像差方面更具优势,为获得高质量Offner成像光谱仪提供了理论基础。

消像差光栅的波像差分析

波像差方法是M.Chrisp在研究超环面光栅的像差分析时提出的,采用像散面作为参考波阵面,发展了多元件系统波像差理论,是目前为止可以用来研究多元件系统像差分析的很好方法.在Chrisp波像差理论基础上,推导出二次曲面面型的变线距光栅的波像差表达式,讨论光栅面型和刻槽分布对成像特性的影响,最后介绍波像差方法在光学系统设计中的应用.

具有消像差和光程补偿功能的新型取样光栅

在惯性约束聚变(ICF)终端光学聚焦系统中,采用取样光栅将透射的高功率三倍频光按约0.5%的效率进行聚焦采样,送入能量计中进行诊断。提出了用取样光栅对结构取代单取样光栅,通过合理选择系统参数,包括两块光栅的距离、光栅倾斜角度等,设计出的消像差取样光栅可同时进行能量诊断、光脉冲响应测量、以及远场光斑质量的检测。计算结果显示:光程差从8.3 cm降低到8.7 mm,像点的均方根半径为0.777μm,达到衍射极限和使用要求。这为ICF系统中激光能量、波前畸变的诊断提供了一种可供选择的新诊断装置。

面向宽谱段共焦测量的消像差准直会聚方法

针对宽谱段定焦系统存在色散严重、像差较大的问题,提出一种面向宽谱段共焦测量的消像差准直会聚新方法。该方法利用全反射式结构抑制不同波长定焦时造成的色散效应,利用抛物面结构和环形光束抑制像差,在可见至红外宽谱段内实现了对光束的精确准直与会聚,相对于现有准直会聚方法可以消除色散且明显抑制像差。理论分析和初步实验表明：依据该方法构建的准直会聚系统在不同波长光源情况下聚焦点完全重合,定焦曲线旁瓣得到明显抑制,且定焦分辨力达到72.4μm@1 064 nm,接近环形光束聚焦情况下的理论计算极限。

消像差设计飞秒LASIK手术后角膜高阶像差的观察

目的观察消像差设计飞秒LASIK手术后角膜高阶像差的变化。方法分析74例患者146眼的临床资料,在术前和术后进行标准检查测量角膜像差。应用Custom Ablation Manager软件进行消像差手术设计,应用SCHWIND AM ARIS准分子激光仪进行激光切削,应用Intralase飞秒激光制作角膜瓣。术后3个月测量高阶像差(higher order aberrations,HOAs)的改变。结果术后除三叶草差外,其余各角膜高阶像差指标均较术前增大,差异有统计学意义(t=13.03、12.35、8.25、5.26,P<0.01)。切削区较小时,矫正单位屈光度引起的HO-RMS增加量、球差增加量和彗差增加量高于切削区较大时,差异有统计学意义(F=17.86、36.76、2.97,P<0.05)。预矫屈光度数高的组,矫正单位屈光度引起的HO-RMS增加量、球差增加量和彗差增加量均高于预矫屈光度数低的组,差异有统计学意义(t=5.54、5.24、2.80,P<0.01)。结论消像差设计飞秒LASIK手术后,角膜高阶像差较术前增加。矫正的屈光度数越高,术后角膜高阶像差增加越多;切削区越小,术后角膜高阶像差增加越多。

消像差程序飞秒激光制瓣的LASIK矫正近视和近视散光效果观察

目的 观察消像差程序飞秒激光制瓣的准分子激光原位角膜磨镶术（FS-LASIK）矫正近视和近视散光效果.方法 前瞻性研究.2013年12月至2014年8月接受阿玛仕消像差程序矫正近视和近视散光76例（76只眼）,均以右眼为研究对象.其中包括中低度近视和近视散光37只眼（低于-6.0D）和高度近视和近视散光39只眼（-6.0D及以上）.术前和术后分别应用Optikon 2000角膜波阵面像差分析仪检查角膜高阶像差均方根值,其中包括球差、彗差和所有高阶像差总均方根值.随访3个月.结果 术后3个月角膜球差、彗差和总的高阶像差与术前比较,差异均无统计学意义（t=1.999,1.508,1.435;P =0.053,0.080,0.075）;中低度近视和近视散光者角膜高阶像差均方根值与术前比较,差异均无统计学意义（t=1.530,1.774,2.053;P=0.120,0.080,0.052）;高度近视和近视散光者角膜高阶像差均方根值均高于术前,差异有统计学意义（=3.408,5.372,2.829;P=0.005,0.000,0.005）.低中度近视和近视散光者高阶像差增加较高度近视和近视散光者少.结论 阿玛仕消像差程序能有效减少FS-LASIK术后高阶像差的增加,特别是矫正中低度近视和近视散光.

基于双层微透镜阵列的移动视差式立体显示屏

受限于微透镜的数值孔径和像差问题,目前移动视差式立体显示屏存在多视场空间、视场区之间存在视场跳变、主视场空间角度小、显示效果模糊等问题.本文基于离散采样思想,分析了移动视差型三维显示系统的工作机理,结合加工工艺,设计了复合曲面反射层的双层微透镜阵列屏.仿真结果表明:所设计显示屏的视场观看空间角可提升到60°,相对于传统的三维显示屏,双层微结构显示屏可有效提高视场角和显示性能.

一步法设计单色仪凹面全息光栅

凹面全息光栅是光谱分析仪器的核心器件之一,其成像质量直接决定了光谱分析仪器的分辨本领。利用光程函数理论设计凹面全息光栅是一个繁琐的求解非线性方程组的过程,该过程分两步进行,每步需要求解四个非线性方程。分两步求解不但过程麻烦,还不可避免地引入了取舍误差,降低了最优参数的精度。为了解决该问题,本文提出了一种设计单色仪凹面全息光栅的新方法——一步法,该方法不但可以简化求解过程、降低最优参数的误差,还可以方便地控制整体像差的变化趋势。采用有较强全局搜索能力的遗传算法求解该方法中非线性方程的极值问题,并与传统的方法对比验证了该方法的可行性和正确性,结果表明,一步法不但在方法上比两步法简便,其设计结果还优于两步法。

Zemax软件在取样光栅对设计中的应用

光束取样光栅(BSG)是一种重要的用于光束取样诊断的衍射光学元件。以2块取样光栅代替单块光栅作为初始光学结构,运用Zemax光学设计软件采用分步优化的方法设计了具有消像差功能的光栅对结构,此方法比采用Matlab语言编程计算的方法消像差更快捷、更灵活,同时可以验证程序计算结果的正确性。设计结果显示:再现的会聚光经2块光栅衍射后在像平面上点列图中的均方根半径仅为0.506μm,单块取样光栅的均方根半径则为7.284μm,说明2块光栅能够做到像差互相矫正,其像质明显好于单块取样光栅。另外,设计出的双光栅光学系统,可进行远场光斑质量检测,为激光束性能的在线诊断提供了行之有效的技术支持。

光谱仪中球面聚焦反射镜和凹面全息光栅像差互补的一体化设计

为了兼顾光源聚焦镜引入的像差对光谱仪器分辨率和信噪比的影响,提出了消像差凹面全息光栅和聚焦反射镜一体化设计方法。建立了包含聚焦镜和凹面全息光栅的像差分析物理模型,推导了像差系数表达式,构造了像差校正目标函数,经优化得到设计结果。在一体化设计中,针对臂长为170.3mm、基底曲率半径为170.2mm的单色仪光栅,通过反向增大全息光栅像散项,补偿聚焦镜引入的轴外像差。与传统设计方法相比,该方法的像面点列图的均方根尺寸在子午方向由86μm减小到81μm,弧矢方向由765μm减小到167μm,提高了系统的消像差能力,为凹面光栅光谱仪器的光学系统设计提供了新的思路。

复杂分光仪器中的像差研究

为提高分光仪器的性能,采用两个椭球面镜和一个椭球面消像差光栅分光。光源发出的光线被第一个椭球面镜反射,产生特定的波前,经过光栅衍射以后,不同波长的光波被第二个椭球面镜汇聚到探测器的不同位置上。系统具有复杂的像差特性和成像特性,根据费马原理,参考第二代全息变线距光栅的制作光路和理论,建立坐标系,定义两个椭球面上的入射角和反射角,确定各元件的位置变量,确立基本几何关系,将光程函数分为两部分:由衍射引起的光程变化和几何位置引起的光程变化,将两部分都按级数展开,给出了高阶像差的解析形式。对于平面、柱面、球面光栅和反射镜也可以使用这些公式。像差的解析式和光路也可以用于各种分光仪器中。

消畸变、长焦距相机光学系统设计

随着空间光学技术的不断发展,时间延时积分电荷耦合器件(TDI-CCD)相机得到了广泛的应用,TDI-CCD图像传感器的应用不仅提高了相机系统的信噪比而且使相机的光机结构更加紧凑,但光学系统的畸变在推扫过程中会造成像移,并最终导致图像模糊,因此对光学系统的设计提出了新的要求。分析了光学系统畸变对TDI-CCD推扫成像时的影响,研究了空间相机光学系统设计中消除畸变的方法,并进行了光学系统设计。设计了谱段位于450～900nm,焦距f=6000mm,F数为10的三反射消畸变光学系统。设计结果表明,当光学系统视场角为1.6°时,光学系统的畸变量小于0.01%,当面中心遮拦为0.06时,Nyquist频率(50lp/mm)处调制传递函数优于0.50,成像质量达到衍射极限,可以满足高分辨率TDI-CCD空间相机的使用要求。该光学系也适用于多光谱、立体成像和立体测绘等对光学系统畸变有严格要求的相机系统。

无光焦度校正器和单一反射镜组成的光学系统

从三级像差理论出发分析了由两透镜无光焦度校正器和单一反射镜组成的光学系统 ,讨论两透镜无光焦度校正器放置在单一反射镜前和后组成的光学系统的各种消像差条件。

小型宽波段凹面全息光栅单色仪的优化设计

随着户外物性分析实验的日渐增多,开发轻小型、便携式,且响应波段范围宽的光谱仪器的需求越来越迫切。根据凹面全息光栅均方根优化理论,设计了一款轻小型宽波段单色仪。该单色仪主要由三块IV型凹面全息光栅和上下两层可旋转的平台组成,三块光栅对称地固定于上层平台上,由一台步进电机带动上层平台旋转实现光栅之间的切换,另一台步进电机带动下层平台旋转实现单块光栅的扫描。三块光栅的响应波长范围分别为400～1000,1000～1700和1700～2500nm,其理论分辨极限分别优于2.5,2.8和4.0nm。并对三块光栅的制作误差和双层平台结构误差进行了分析,结果表明,在能够保证的误差范围内,该单色仪的光谱质量可以较好地满足户外光谱分析的要求。

基于EWOD的微流控透镜变焦特性分析

随着光学技术的蓬勃发展,传统的固体光学器件难以满足日益增加的微型化、集成化、可调化的现代光学技术发展的需要,新兴的微流控光学器件则为这一需要提供了可能。基于介质上电润湿(EWOD)的液体变焦透镜就是一种微流控光学器件。介绍了该种透镜的几个基本结构和变焦原理,着重推导计算了外加电压与液体透镜曲率半径、焦距的变化关系,分析了其变焦特性,提出了相应消像差方案。

大口径红外成像系统的光学设计

推导了以反射式两镜系统为主体的红外成像系统中满足光瞳匹配要求的转像透镜的高斯光学参量与两镜系统参量的关系式。当选定红外焦平面的冷屏直径及到焦面的距离后 ,转像透镜与两镜系统的高斯光学参量之间必须满足这个关系式 ,才能做到光瞳匹配 ,这就是冷屏为系统的出瞳 ,而入瞳是主反射镜的口径。消像差由主镜、副镜的非球面及转像透镜上的一个非球面承担。用实例计算验证了所推导出的公式的可靠性 ,红外系统的口径取为 2 50mm ,红外接收器的冷屏直径为 5mm ,冷屏到红外像面的距离为 2 0mm。两镜系统主镜的曲率半径选定为-10 0 0mm及 -80 0mm两个值 ,两镜系统焦距为 2 0 0 0mm ,150 0mm及 10 0 0mm三个。