液晶自适应光学在天文学研究中的应用展望

液晶波前校正器作为一种高单元密度的新型波前校正器件,通过相息图的衍射可以轻松实现十微米的波前位相校正量。因此,基于液晶波前校正器的自适应光学（LCAO）系统是21世纪天文观测领域非常有希望普及的系统。但是液晶波前校正器存在响应速度慢（〉10ms）、能量利用率低的双重问题,国际上一直处于探索研究中。本课题组不但解决了能量问题,而且在速度方面不断取得进步,所研制的LCAO系统与1.23m口径望远镜连接,清晰观测到土星及其环绕的光环带,分辨出4.8和5.5视星等的α-Com双星,成像分辨率达到1.8倍衍射极限分辨率;目前系统延迟时间只有2ms,可以说已达到工程应用水平,在装备8~10m级大口径天文学望远镜方面极具应用潜力。

长春光机所软X射线-极紫外波段光学研究(英文)

综述了我所软X射线-极紫外波段关键技术的研究进展。描述了软X射线-极紫外波段光源技术,研制了工作波段为6 ～22 nm的微流靶激光等离子体光源;介绍了光子计数成像探测器技术,研制出了有效直径为25 mm,等效像元分辨率为0 .3 mm的极紫外波段探测器;开展了超光滑表面加工、检测技术的研究,研制了超光滑表面抛光机,加工出高面形精度的超光滑表面,面形精度为6 nm(RMS值) ,表面粗糙度达0 .6 nm(RMS值) ;进行了软X射线-极紫外波段多层膜技术的研究,研制出13 nm处反射率为60 %的多层膜反射镜,150 mm口径反射镜的反射率均匀性优于±2 .5 %;最后,讨论了软X射线-极紫外波段测量技术研究,研制出该波段反射率计,其测量范围为5 ～50 nm,光谱分辨率好于0 .2 nm,测量重复性好于±1 %。在上述关键技术研究基础上,研制出了极紫外波段成像仪和空间极紫外波段太阳望远镜,这些仪器在我国空间科学研究项目中发挥了作用。

长春光机所深紫外光学薄膜技术研究进展

综述了深紫外光学薄膜技术在中科院长春光学精密机械与物理研究所的研究进展。为满足高性能深紫外光学系统对薄膜光学元件的需求,在以下方面开展了系统研究:定制了两台深紫外光学薄膜专用沉积设备,分别用于高性能深紫外光学薄膜的热蒸发与离子束溅射沉积工艺,实现了φ410mm光学元件的镀膜;通过优化薄膜沉积工艺,双面镀膜样品在193nm处典型透过率为98.5%～99%;对影响光学元件面形精度的因素进行了考察,可实现的膜厚均匀性为0.1%(rms),能够满足高质量深紫外光学系统的容差要求;采用X射线衍射方法对薄膜应力进行了测量,并采用有限元方法分析了应力对元件面形的影响;针对影响薄膜实用性能的因素,提出了针对性的解决方法,采用紫外辐照方法恢复了环境污染引起的透过率下降,发展了基于晶振监控法的膜厚精确控制方法。基于这些研究的阶段性成果,明确了下一步的研究方向。

子孔径光学检测拼接准确度实验研究

实验研究了子孔径光学检测的拼接准确度.实验选取9个子孔径进行拼接,同时利用ZYGO干涉仪来测量子孔径和整个被检面的表面面形.实验发现,测量基准子孔径和整个被检面的时间间隔对子孔径拼接准确度的评价存在严重影响.为此,重点研究了产生影响的原因并提出了消除测量基准子孔径和整个被测面时间间隙影响的方法.最后,利用该方法研究了子孔径重叠面积对拼接准确度的影响.结果显示,当重叠面积比为7%时,PV和RMS的拼接误差分别为0.03λ(λ=632.8nm)和0.01λ,并且重叠面积比和拼接准确度呈近似线性关系.

渐变折射率介质在重叠复眼光学系统中的应用研究

在重叠复眼的生物结构中,晶锥部分的折射率随半径的增大逐渐变小,与渐变折射率(GRIN)介质十分相似。复眼具有体积小、重量轻、视场大、灵敏度高等优点。近年来,在智能武器、智能机器人视觉系统和微型飞行器等领域中,复眼光学系统得到了越来越多的应用。GRIN介质在重叠复眼光学系统中对会聚光线起到了关键的作用。从理论上对其进行了分析,得到了GRIN介质适用于重叠复眼光学系统中的条件;深入分析了GRIN介质出射光线聚焦点的位置关系;讨论了与重叠复眼灵敏度的关系。

超薄光学元件精密加工关键技术

针对超薄光学元件在加工过程中因重力和磨头产生应力形变的特点,提出了一种高效、先进的超薄光学元件综合加工方法。该方法综合运用了精密铣磨、精密抛光、离子束修形等先进技术进行面形控制。在铣磨阶段采用受力分析和误差补偿的方法降低了元件变形引入的面形误差;在抛光阶段通过气囊抛光和沥青抛光的迭代实现了面形快速收敛;在离子束加工阶段充分利用其非接触、无应力的加工特点实现了高精度面形修正。实验选择径厚比为34(边长152 mm,厚度6.35 mm)的方形融石英材料进行加工实验。结果表明:在铣磨、抛光、修形阶段的各项指标都达到了精密光学元件的加工水平,最终的面形精度为PV=25 nm,RMS=1.5 nm。该加工方法可以广泛应用于超薄光学元件的高精度加工。

液晶自适应光学的研究进展

概述了中科院长春光学精密机械与物理研究所(长春光机所)在液晶自适应光学方面的研究进展。针对液晶自适应光学技术存在的能量利用率低和校正频率慢的两大国际难题,液晶自适应光学研究组采取了一系列有效措施,不但攻克了能量利用率低的难题,且在校正频率方面也取得了质的飞跃。目前,系统能量利用率已从最初的5%提高到85%,基本和变形镜自适应光学系统的能量利用率相当;校正频率也从5 Hz提高到140 Hz,接近了校正大气湍流的实用化水平。利用该研究成果,分别研制了针对中科院国家天文台2.16 m望远镜和长春光机所1.2 m望远镜的液晶自适应光学系统并对恒星进行了有效校正,使1.2 m望远镜对恒星的分辨能力提高至约3倍衍射极限。

液晶自适应光学视网膜校正成像技术研究

为了实现对人眼视网膜的高分辨率成像，解决偏振能量损失、成像视场小和普适性差等问题，对液晶自适应光学技术及其在人眼视网膜成像中的应用进行了研究。通过开环光路的设计方案，避免了闭环液晶自适应系统的偏振光能量损失；在光路中加入可变视场光阑，利用小视场照明进行波前探测、大视场照明进行像差校正和成像的方法扩大了成像视场；使用脉冲光照明的方案减小曝光量；通过偏振光照明提高能量利用率、等效无穷远视标配合补偿镜以及改进后的视标提高盯视稳定性等一系列方法，提高系统普适性。校正后成像的清晰度和对比度获得了明显提高；高分辨率眼底成像视场直径从200μm扩大到500μm；曝光量减小到原来的1/2～1/3；对前期难以获得清晰成像的样本，取得了效果良好的视网膜视觉细胞自适应图像。

精密光学系统的热像差

为了精确控制与补偿物镜的热像差,设计了一套三镜实验光学系统,基于该系统验证了热像差计算方法的准确性。介绍了热像差分析方法及验证实验方案。开展不同热载工况下热像差测试实验,并与仿真结果进行了对比。最后,综合实验与仿真结果,分析了特定热载条件下系统热像差中非轴对称像差成分以及系统最佳焦面的变化趋势,获得了热像差的瞬态特性。实验结果显示:在输入热载大小之比为1∶4∶9的情况下,实验和仿真获得的热像差均方根(RMS)值之比分别为1∶3.75∶9和1∶4.01∶9.01,光学系统所加热载和热像差之间呈线性关系;在实验热载荷作用下,系统最佳焦面的稳态时间小于450min,而热像差中一阶像散(标准Zernike Z4)的稳态时间小于48min,一阶四叶(标准Zernike Z11)的稳态时间小于9min,最佳焦面稳态时间远大于非轴对称成分的稳态时间。基于该三镜实验光学系统所获得的热像差特性能够为投影光刻物镜或其它精密光学系统的热像差控制与补偿提供有力支撑。

应用于双色探测器的谐衍射/折射光学系统

根据红外辐射的窗口特性以及谐衍射透镜的特点,将谐衍射透镜成功地引入红外双色探测器系统的设计中,使系统在两个波段内同时较好地完成了系统轴向像差的校正,波前差都小于1/4波长,"成像质量"接近衍射极限。结果表明,谐衍射透镜的光谱特性介于折射透镜与衍射透镜之间,降低了对工艺水平的要求,使系统结构紧凑、片数少、透射比高,具有良好的消像差特性,为红外光学系统设计提供了一种全新的器件。

精磨光学元件面形的干涉检测技术研究

为解决传统接触式检测方法检测精磨光学元件效率低,精度差的问题,提出了一种采用干涉检测技术对精磨光学元件面形进行测量方法,该方法具有非接触,测量效率高,误差小的特点。干涉检测中干涉条纹的对比度与工作波长成正比,与表面粗糙度成反比,干涉条纹对比度直接影响最终的检测结果。因此首先分析干涉条纹对比度与精磨表面粗糙度之间的关系,证明采用可见光干涉仪对精磨粗糙表面进行检测的可行性,并对利用GPI型数字干涉仪检测精磨粗糙表面进行了实验验证,检测面形结果约为PV 1.5μm,并与红外干涉仪以及接触式轮廓仪测量结果进行了对比,验证结果有效性。最后给出了当粗糙度阈值Rq优于150 nm时,可采用该方法进行检测,具有较高的实用价值。

基于ZEMAX的3D虚拟头盔显示器的光学设计方法研究

根据目镜光学系统原理,采用ZEMAX软件来确定3D虚拟头盔光学显示系统的结构设计方法研究和性能优化。给出了具体设计实例,设计结果表明,3D虚拟头盔光学系统的总长小于49mm、垂轴像差小于60μm、轴向球差小于0.1mm、倍率色差小于20μm、场曲小于0.4mm、畸变小于5%、MTF在30lp/mm大于0.32,总体质量满足3D虚拟头盔显示器的要求。

6-PSS型光学元件精密轴向调节机构

设计了一种采用6-PSS型并联机构的光学元件精密轴向调节机构,以使光刻物镜中光学元件的调节行程达微米级,调节精度达纳米级。将6-PSS型并联机构中的6个移动副改进为3个,减少了驱动器的使用数量,提高了轴向调节机构的可靠性;设计了一种圆角薄柔性铰链结构作为6-PSS型并联机构中的球铰副,实现了轴向调节机构的结构一体化,简化了光机组件的装调过程,提高了机构的机械精度;利用空间矢量法分析了机构输入构件与输出构件之间的位置关系,推导出了机构的传动比表达式,为机构主要结构尺寸的选取提供了依据。轴向调节机构的验证试验结果表明:机构传动比的理论计算值接近于实测值;轴向调节机构的调节行程为74.4μm,调节精度在40nm以内,满足光刻物镜中光学元件轴向调节机构的使用需求。

二元光学透镜在超光谱成像仪中的应用

介绍了二元光学超光谱成像仪的基本原理。提出利用折衍混合透镜代替单一的二元光学透镜来实现色散和成像用于超光谱成像仪,论述了此透镜系统的设计方法,给出了理论设计公式。通过光学设计软件ZEMAX对具体实例进行分析和评估,并利用离子束刻蚀法制作了二元光学透镜系统,展示了二元光学透镜在超光谱成像仪中的应用前景。

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.

开环液晶自适应光学系统:研究进展和结果（英文）

对于自适应光学系统,液晶波前校正器是一个非常有前景的波前校正器件。传统的向列相液晶波前校正器的主要缺点是偏振依赖和工作波段窄。采用了基于偏振分束器的开环光路设计和优化的能量分割方法来分别解决上述问题。结果显示,开环光路非常适合于液晶波前校正器,且新颖的能量分割方法显著提高了液晶自适应光学系统的探测能力。

基于柔度矩阵法的整体式XY光学微调整机构研究

研究一种用于光刻投影物镜光学元件XY微调整的整体式柔性冗余并联机构。首先,给出了机构组成和工作原理。然后,根据圆弧形单轴柔性铰链参数介绍了柔度矩阵法。接着,基于该方法推导了机构各个调整臂支链的柔度、机构的输出柔度、输入柔度和位移输入输出比。最后,对机构进行了有限元分析、理论计算和实验验证。实验结果证明:和有限元法相比,理论计算得到的机构输出柔度、输入柔度、输入输出比偏差分别为16.272%、28.326%、31.126%。和测量实验结果相比,理论计算得到的输入输出比偏差为15.212%。偏差主要由柔度矩阵法中的柔度系数并非绝对精确,并且忽略了铰链之间连杆的柔度导致的。在±50 N的驱动力范围内,机构满足调整行程±50μm的要求,镜框上的最大应力小于材料的屈服极限,调节引入的Tip/Tilt耦合误差小于0.5″。该柔性XY调整机构满足光刻投影物镜光学元件偏心补偿要求。

单点金刚石机床及其在光学工程领域的应用

介绍了单点金刚石车床概念,总结回顾了单点金刚石车床在国防和商业领域内的发展状况,给出了目前商用单点金刚石车床的典型产品。对单点金刚石车床的关键零部件和核心技术,如空气静压主轴、液压导轨、直流电机、对刀装置、误差补偿和自适应控制等进行了分析。最后,介绍了适宜单点金刚石车削加工的材料,分析了快刀伺服和慢刀伺服在光学元件中的应用以及所加工的光学元件在国防和商用光电产品中的应用,并以主次镜望远镜系统和精密光学系统无调整装配为例,说明了单点金刚石车削在光电产品中的重要作用。

光刻物镜中光学元件精密轴向调整机构的设计与分析

柔性铰链与高准确度驱动器的结合是实现光学元件轴向精密调节的重要方法.本文介绍了一种采用柔性铰链的轴向精密调节机构,推导并得出了其实现精密调节的原理.通过对应用柔性调节机构的一种典型光机系统的刚度分析,得到在不超过柔性铰链材料屈服应力情况下,光学元件的最大轴向位移可以达到200μm以上;同时,对一种典型参量的柔性结构做了模态分析,得到其一阶固有频率为185.1Hz,证明了调节机构的固有频率满足工作要求.分析了驱动力在此种轴向调整机构中对镜片面形的影响,结果表明:调整机构在接近最大允许驱动力作用下对镜片面形影响为4.41nm,说明其对光学元件的面形影响较小.该研究结果为柔性光学元件轴向调节机构的应用提供了有力依据.

空间光学调制器中轴承的润滑及密封研究

对空间紫外光谱仪中转动部件,即光学调制器系统支撑轴承的润滑及密封进行设计和研究。在真空环境下(10-3Pa),采用固体润滑和油润滑2种润滑方式进行轴承寿命试验。结果表明,当轴承采用MoS2固体膜润滑时,轴承转动到108转量级后,轴承动态摩擦力矩增大,转速急剧下降;采用扫描电子显微镜和能量色散谱(EDS)分析轴承工作表面,验证轴承工作表面有转移膜的形成。当轴承采用油润滑时,对轴承的润滑状态、机械密封结构及润滑油的泄漏量进行设计和计算表明,用非接触的组合式机械密封机构,能够降低油耗,减少润滑油对光学系统的污染,提高仪器的性能和指标,从而可以实现空间转动部件长时间工作的要求。