基于掩膜相位板的鼻内镜成像优化研究

我国鼻内窥镜受加工,装调等因素的影响,内窥镜在实际使用时的分辨率及像差情况要明显差于设计水平,论文经过公差分析,得出偏心公差对结果影响巨大,基于以上问题,文章在设计的一款视场角为80°,入瞳直径为0.2mm的鼻窦物镜基础上,模拟装调误差,提出在不改变装调后鼻窦物镜机械结构的前提下,在物镜保护玻璃前方加入掩膜相位板补偿装调误差导致的成像质量下降;从设计结果可知,添加掩膜相位板后系统传函图从在空间频率30lp/mm等于0提升到170lp/mm大于0.2;用N3鉴别率板检测系统分辨率,物方可分辨18组左右,物方分辨率为15μm。由此可知在补偿掩膜相位板的设计中,在不改变原设计基础上,可明显提高像质。

基于纯位相液晶空间光调制器的可变焦透镜的实现

提出一种基于纯位相液晶空间光调制器(LC-SLM)实现变焦透镜的方法。根据液晶空间光调制器的位相调制原理,以相息图控制LC-SLM来调制入射光波,并衍射产生透镜波面,改变相息图的衍射距离,可实现变焦位相菲涅耳透镜的功能。分析衍射孔径、衍射距离、相息图位相阶数等参数对变焦位相菲涅耳透镜的影响,并以点光源相息图为例对该方法的可行性进行了实验验证。实验结果表明:通过改变计算衍射距离,提出的方法可得到焦距不同的透镜,且易于控制,为三维扫描显示的实现提供了可行性依据。

二元位相型菲涅尔透镜列阵器件的研制及其应用实验

详细介绍了二元位相型菲涅尔透镜列阵器件（ＢＰＦＬＡＳ）的设计原理、制作过程和测试方法，研制了２４×２４元８阶ＢＰＦＬＡｓ，对０．８４μｍ波长的焦距为４６．５ｍｍ，单元尺寸为１．５×１．５ｍｍ２，衍射效率达７７．３％．有关应用实验表明，该器件具有平行光分束、多路成像及傅里叶交换功能，在列阵发光器件的光学准直，光学相关器等方面有广泛的应用前景．

聚焦透镜天线焦斑宽度估算

根据惠更斯-菲涅耳原理,通过简单的推导,得出聚焦透镜天线焦平面上焦斑宽度的近似计算公式,并讨论了与焦平面平行的平面上的焦斑场.为证明该方法的计算精度及效率,设计了一个Ka波段聚焦透镜天线,并加工了两个天线样品进行比较.对两天线进行了平面近场扫描测试,采用近似公式计算得到的Ka波段聚焦透镜天线半功率点宽度与实验数据接近,表明文中给出的公式有一定工程参考作用.

菲涅尔区修正圆柱面天线的辐射特性

在圆柱面上进行一维菲涅尔区相位修正结构设计 ,可以构成一类新型的点源馈电透镜天线。本文利用矢量场绕射理论研究菲涅尔区修正圆柱面天线的辐射特性 ,并进一步分析馈源阵列作用下的辐射性能。

采用联合变换相关的透镜中心偏差测量

基于双相位编码光学联合变换相关技术提出了一种测量透镜中心偏差的方法以确定偏差方向并提高测量精度。在经典联合变换相关原理基础之上,使用两个相位函数分别对参考图像和联合功率谱进行编码,并选用合适的滤波器消除旁瓣干扰,得到单个互相关峰的输出。利用该双相位编码后的联合变换相关技术探测不同目标图像相对于参考图像的位移矢量,并拟合圆。此拟合圆圆心到圆上点的矢量即为经自准直光学系统放大后的偏心矢量,从而同时确定了中心偏差的大小和方向。实验结果表明,通过双相位编码后的相关输出仅保留一个尖锐的相关峰,实现了位移矢量的亚像元探测;使用联合变换相关技术准确地测量了透镜的中心偏差,其测量结果的实验标准差为0.1μm,误差绝对值最大为0.3μm,满足一般透镜中心偏差测量的要求。

单次相移数字全息中相移值的提取

为了消除相移误差对数字全息中再现像的像质的影响,本文对单次相移数字全息进行了研究。基于相位统计特性,提出了一种有效消除相移误差的新方法,该方法能够对任意未知相移量进行提取,并利用数字全息图所有抽样点的强度偏差之和作为评价标准,通过逐步改变计算得到的初始相移值来寻找正确的实际相移角。计算机模拟得到了很好的再现结果,证明了该方法的可行性和有效性。

一维透射式菲涅尔区相位修正结构的辐射特性

一维菲涅尔区相位修正结构具有类似于抛物柱面的聚焦特点。本文应用口径场法对透射式一维菲涅尔区相位修正结构的辐射特性进行了分析，并在９ＧＨｚ频率上进行了辐射方向图的测量。

正交柱透镜的分数傅里叶变换特性

根据正交柱透镜满足的几何关系,计算得到了正交柱透镜的透过率函数。之后根据菲涅耳衍射公式和已推导得到的透过率函数,导出了单正交柱透镜对称系统和双正交柱透镜系统输出面的光场复振幅分布,并与分数傅里叶变换定义式比较,得到了实现分数傅里叶变换的系统结构参量;正交柱透镜具有的不同维度实现不同级次分数傅里叶变换的性态,在雷达、通信的信号传递,图像加密和生物医学等应用领域具有实用价值。

菲涅耳透镜的衍射特性及误差分析

对均匀平面波、高斯光束和超高斯光束入射下菲涅耳透镜的衍射场在轴上和焦平面上的光强特性进行了研究,比较了它们之间的不同之处;分析了高斯、超高斯光束的束腰半径、位相误差和阶数对衍射场的影响。研究发现均匀平面波入射时,无论是轴上光强分布还是焦平面上的光强分布,都具有类似sinc函数的特征;而高斯/超高斯光束入射时,轴上的光强分布曲线相对较为平坦;高斯/超高斯光束入射时,随着超高斯光束的阶数增加或着束腰半径减小菲涅耳透镜的聚焦能力呈降低趋势;位相误差将使衍射场出现了多焦现象,这些焦点处的光强随着位相误差的增大而呈现增大的趋势,且正误差比负误差带来的影响更大。

双半透镜干涉场的研究

基于波前分析和基尔霍夫衍射积分式,导出了在会聚球面波照射下圆孔或半圆孔菲涅耳衍射场沿轴的复振幅分布,特别关注其相位分布,给出了像点两侧对称点之间的相位差公式,结果表明过像点的相位变化是连续的.进而将这些结果应用于双半透镜装置,即梅斯林干涉实验,分别两种情况(即焦距相等而物距不等和物距相等而焦距不等)给出了分别由单个半透镜产生的两个衍射场之间的相位差公式和相应的干涉强度公式.结果表明,这两个衍射场沿轴的有效相位差未必是0,亦未必是π,还可能出现锯齿型的反复变化.本研究为正确地分析双半透镜产生的两个衍射场之间的干涉场提供了一个可靠的理论途径.

大数值孔径衍射透镜的优化设计方法

本文针对大数值孔径衍射透镜工艺制作难的问题，以菲涅耳衍射透镜为例，研究了相位匹配原理并提出了一种优化设计二元大数值孔径衍射透镜的方法．在菲涅耳衍射透镜原理的基础上，确定了优化设计多相位台阶衍射透镜的结构参数，并给出了一个设计实例，最后对结果元件的衍射效率进行了分析与讨论．

74GHz毫米波透镜喇叭天线的设计与仿真

设计了一种应用于毫米波段的透镜喇叭天线,基于几何光学的原理建立透镜和喇叭之间的几何关系,减少了独立的设计变量,并对天线进行了仿真.结果表明：当天线的中心频率为74 GHz时,天线的口径为38.63 mm;在72.5~76 GHz频带范围内,带内电压驻波比VSWR均小于1.5,天线增益大于28 dB,并且E面和H面中的半功率波束宽度分别小于6.5o和8.5o.喇叭天线在加载介质透镜前后三维方向图的仿真结果表明介质透镜可以减小喇叭口面相位误差.所设计的天线具有良好的方向性和增益.

随机位相菲涅耳透镜阵列激光束匀化

为降低干涉带来的影响,将一种随机位相分布引入菲涅耳透镜阵列,对阵列中每一个菲涅耳透镜施加0或π的二值化位相变化,打乱阵列位相的周期性排布,减少微透镜后多光束在匀化面干涉带来的影响.通过数值计算对激光束的匀化过程进行了模拟,设计的菲涅耳透镜口径为0.5 mm,焦距为6mm,阵列数目为20×20,光斑整体均匀度达到90%,光束能量利用率达到96%.利用设计和制备的16台阶随机位相型菲涅耳透镜阵列对1 064nm波长的激光光束进行匀化,均匀度为83%,光束能量利用率为89%.研究结果表明,通过引入随机位相可有效减少干涉带来的影响,提高微透镜阵列对单模高斯光束的匀束效果.

联合菲涅耳变换相关器相关性能研究

使用纯相位空间光调制器编码线性相位掩模,实现了联合菲涅耳变换相关器。为分析空间光调制器相位调制误差对相关器相关性能的影响,数值模拟了不同相位调制误差下的相关输出,结果表明相位调制误差越大,相关器相关峰值越低,且相关峰半高宽越大。与双光楔联合菲涅耳变换相关器进行了实验对比,由于空间光调制器的相位调制精度低于光楔器件,实验结果表明双光楔联合菲涅耳变换相关器具有更高的相关峰值和更小的半高宽,与数值模拟结果相符。

菲涅耳半波带法计算振幅的理论误差讨论

在利用半波带法计算菲涅尔衍射的振幅时，通常不考虑半波带内的面元到场点之间光程不同引起的相位变化．笔者考虑了这一相位变化，理论推导得到了点光源照明的菲涅尔衍射的振幅表示式，得出了与传统解法不同的结果，发现二者间存在较大的误差，该误差对具体实例有较大的影响．因此，利用半波带法计算振幅时应当注意半波带内的面元到场点之间光程不同的影响．

基于空间调制器的透镜设计与成像研究

为了研究利用空间光调制器制作的菲涅尔透镜的特性,基于标量衍射理论推导了透镜的相位分布函数,建立了菲涅尔透镜的模型;并通过实验测量了空间光调制器的相位—灰度特性曲线,得到了相位与灰度的函数关系。制作了焦距为100 mm和150 mm的菲涅尔透镜相位灰度图。通过实验研究了该菲涅尔透镜成放大实像和缩小实像的成像规律;结果表明,针对两个物体所成最清晰的像位置均在理论成像位置附近,且处于成像清晰度评价值大于0.8的成像位置范围之内。表明利用空间光调制器制作菲涅尔透镜满足透镜的成像规律,能很好地实现透镜的成像功能。

基于高倍物镜的相位显微成像方法

当前基于干涉技术的相位显微成像方法已经被广泛研究,但基于非干涉方法(相位恢复)的相位显微成像研究还很少.本文将相位恢复与显微成像技术相结合,提出并论证了一种基于高倍物镜的相位显微成像方法,适用于微米级相位型物体的显微成像.该方法简单有效,针对高倍物镜显微系统的特性,采用同时移动CCD及显微物镜的拍摄方法,解决了传统拍摄模式下,高倍物镜的采样距离无法满足成像关系的问题.通过CCD采集物面在不同传播的距离衍射放大像,利用测得的强度信息重建物体相位信息.采用直径5μm的聚苯乙烯微球作为待重建样品,使用100×物镜进行显微成像实验.相位分布重建结果反映了样品真实高度的分布变化,证明了该方法的有效性.与基于干涉技术的相位显微方法相比,该方法所使用的实验装置更加简单,易于操作且成本更低.对于生物细胞或组织等相位型样品的厚度或折射率分布测量具有实际应用意义.

位相误差对菲涅耳透镜衍射效率的影响

本文研究了位相误差对位相菲涅耳透镜性能的影响，指出了多焦现象和衍射效率下降的原因，同时给出了不同位相误差产生的各级衍射效率值。

Ronchi相移剪切干涉仪及其相位提取误差分析

在分析Ronchi相移剪切干涉仪典型系统参数的基础上,系统研究了该干涉仪相位提取精度的主要影响因素。结合传统的五步相移算法,采用所提出的八步与十步相移算法,对Ronchi相移剪切干涉仪的相位提取误差进行理论分析和仿真计算。仿真结果说明,八步和十步相移算法可以有效地消除多级衍射光寄生干涉对相位提取精度的影响,且十步相移算法比八步相移算法具有更高的相位提取精度;为了提高测量精度,要求相移误差优于2%;探测器位数大于10位;光栅周期误差小于1%;光源空间相干性低于0.1。通过采用不同的相移算法、剪切率和光源空间相干性的三组对比实验,对理论分析的正确性进行了验证。