透射式红外光学系统的光机热集成分析

利用有限元软件ANSYS建立了透射式红外光学系统的有限元模型,并对其进行热应力分析。以Zernike多项式为接口工具对变形后光学透镜的面形进行拟合,将得到的Zernike系数、透镜间隔的改变量和材料的折射率变化量代入光学设计软件ZEMAX中,分析变形后系统的光学性能。分析结果表明,温度改变使光学透镜的面形发生严重变化,并且使光学系统的像面产生漂移,导致系统的光学性能下降;光机热集成分析方法在红外光学系统中的应用,可以预测热环境对系统的光学性能的影响,为光机系统设计提供参考。     

调节力对偏心调节机构中透镜面形的影响

针对深紫外光刻投影物镜的像质补偿要求,对偏心调节时的透镜进行受力分析,基于柔度矩阵法设计了一种柔性多弹片透镜支撑结构,研究了透镜面形随调节力的变化规律,采用有限元法分析了调节力与透镜面形峰谷(PV)值、均方根(RMS)值和Fringe Zernike多项式系数之间的关系。计算结果表明:调节时通过降低调节力的大小,可以控制面形劣化程度。采用具有吸收调节力功能的柔性支撑结构后,在50N的驱动力偏心调节时,透镜上表面面形PV值和RMS值分别为2.704nm和0.528nm,透镜下表面面形PV值和RMS值分别为2.984nm和0.571nm。透镜面形的PV值、RMS值及Fringe Zernike多项式系数随调节力线性变化,但是调节力不会改变各种像差的性质,它引入的透镜像差主要为像散。     

温度梯度对红外光学系统成像质量的影响

利用有限元分析方法对温度梯度环境下的红外光学系统进行仿真分析,并对系统的成像质量进行了评价。利用ANSYS软件建立了某红外光学系统的有限元模型,分析了红外透镜在温度梯度作用下的镜面面形变化;用Zernike多项式拟合变化后的镜面面形数据,并将Zernike系数代入光学设计软件ZEMAX中,分析变形后光学系统的成像质量。结果表明,轴向温度梯度和径向温度梯度均会使光学元件的面形发生变化,使光学系统产生像差,导致系统的成像质量下降。在温度梯度相同时,径向温度梯度对成像质量的影响比轴向温度梯度更严重。     

轴向温度梯度对红外透镜光学性能的影响

运用有限元分析软件ANSYS建立了透镜组件的有限元模型,并对其进行热应力分析。用Zernike多项式对变形后的镜面面形进行拟合,并将得到的Zernike系数导入光学设计软件ZEMAX中,分析了轴向温度梯度对红外透镜光学性能的影响。结果表明:透镜面形的PV值、RMS值以及透镜表面曲率半径的变化量(ΔR)均随轴向温度梯度的增大而增大;轴向温度梯度使透镜面形发生了变化,从而导致了透镜光学性能的下降。     

Zernike环多项式分析光电经纬仪主镜变形

研究了用Zernike环多项式分析光电经纬仪主反射镜变形的方法。首先推导了将有限元分析的变形结果转换成基于波前坐标系的数据形式的转换公式,然后用Zernike环多项式对某光电经纬仪主反射镜的变形进行拟合,计算了主反射镜变形引起的面形误差的峰-谷值(30.7nm)和面形误差均方根值(6.3nm),与实际测量结果相比误差分别为9.2%和10.5%。根据Zernike环多项式系数与Seidel多项式系数的关系,得到了主反射镜变形对光学系统像差造成的影响。将Zernike环多项式系数导入光学系统分析软件Zemax中,可对主反射镜变形后的光学系统进行综合分析,为光学系统修正提供参考。     

基于小物镜系统的热像差影响因素分析

光机热集成分析是光机结构设计中的重要环节,对光学系统像质的预测与补偿有着重要的参考价值。针对小物镜系统,进行光机热集成分析,结果表明该系统产生的热像差较大,影响系统光学性能,其中温度升高导致折射率变化引入的系统热像差较大;结构热变形引入的系统热像差较小,可以忽略;镜片与支撑结构之间的导热、上下窗口的空气扰动、机械结构外表面的环境对流也会存在一定影响,但影响较小。由此可知系统热像差的主要影响因素是热载的大小,设计过程中减少透镜厚度及材料吸收率,降低系统热载,是减小光学系统热像差最为有效的途径。     

振动影响航空TDICCD相机像质的集成分析

采用集成建模分析法,研究了航空TDICCD相机的成像质量受到振动载荷激励影响后的变化程度。在振动激励下,光学系统镜面会产生变形和微位移,使光学性能下降。设计了一种采用非球面镜片的航空相机光学系统,建立了航空相机光机系统的有限元模型,对其进行动力学分析,得到振动激励下的各个镜面节点位移量,以Fringe Zernike多项式为接口对镜面变形进行拟合,将拟合得到的12组37项系数输入到光学软件的航空相机光路模型中进行光学性能评价。分析表明,该航空相机光学系统在振动激励下,91 lp/mm分辨率时光学调制传递函数下降了9.7%,像点点列图发生偏移和弥散,需采取相应的减振措施。     

Zernike多项式波面拟合精度研究

光学表面检测的绝大多数情况中,被测光学表面或光学系统的出射波面总是趋于光滑且连续的,这样的波面函数一定可以表示成一个完备的基底函数的线性组合。因此常用Zernike多项式作为基底函数对测量得到的离散数据进行拟合,把实际波面或面形表示为Zernike多项式各项的线性组合。文中研究了Zernike多项式阶数对拟合精度的影响,以及采样点数对拟合精度的影响。得出Zernike多项式拟合波面并非阶数越高越好,阶数过高会使拟合结果出现病态。因此拟合波面要选择合适阶数的Zernike多项式。当多项式阶数选定时,采样点数多有利于提高拟合精度,但采样点的多少并不是提高拟合精度的先决条件。     

用方形区域内的标准正交多项式重构波前

提供了一种方形区域上归一化Zernike正交基的生成方法。它采用线性无关组Gram-Schimdt正交组构造方法,根据线性代数内积、欧氏空间及其正交性和范数的相关概念,对标准Zernike多项式进行正交处理,得到了一组新的正交多项式Z-square多项式。采用该正交基实现了方形区域内波前模式的拟合,它不仅可由Z-square模式的集合直接对波前进行表示,而且也可以通过线性反变换,将Z-square多项式表示成标准的Zernike模式的线性组合,使被分解的波前模式与像差之间有明确的对应关系。实验表明,它不仅可以对透镜设计中的波前像差函数进行有效的拟合,而且也能对Hartmann-Shack波前传感器测试得到的实际相位数据进行拟合。     

位相畸变三次谐波转换

研究了KDP晶体TypeⅠ /TypeⅡ角度匹配的三倍频方案中 ,离散效应和基波位相畸变对三次谐波的影响。重点考虑了位相畸变所带来的在光束全口径上e光折射率以及相位失配等的变化 ,分析了功率密度分布为超高斯型且具有Zernike多项式表述的各阶像差的光束的三次谐波转换过程 ,得到了不同像差对三次谐波横向光功率密度分布的影响以及转换效率变化曲线。     

空间稳像系统摆镜设计与仿真

摆镜作为稳像系统核心部件,摆镜单元的性能参数和外载荷对摆镜面形的影响为摆镜设计和装配的主要约束条件。在设计约束基础上,对摆镜及其装卡结构材料进行了选择,对结构进行了轻量化设计。为考察外载作用对摆镜面形影响规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜组件进行了仿真,使用基于Zernike多项式的光机集成仿真方法消除刚体位移,得到了消除刚体位移后摆镜面形参数。仿真结果表明:外载作用下摆镜刚体位移明显;预紧力作用下刚体平移占据了刚体位移的主要方面;动力载荷作用下,当重力存在于光轴方向时,静力载荷对摆镜面形起主要作用,否则动力载荷对摆镜面形起主导作用。在仿真数据基础上,对摆镜零件进行了加工和装配,对装配后摆镜进行了面形测试,测试结果表明:摆镜面形能够满足设计要求,也说明了摆镜结构设计的合理性和仿真方法的有效性。     

基于接触方法与集成仿真技术的摆镜面形仿真

为考察所设计摆镜在外载作用下面形变化是否满足设计要求,研究了摆镜在螺钉预紧力和不同方向重力作用下的摆镜面形变化规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜进行了仿真,采用基于Zernike多项式的数据处理算法对面形数据进行了处理,得到消除刚体位移后表征实际面形变化的参数和表示刚体位移系数的分布曲线。结果表明:螺钉预紧力和不同方向重力作用下摆镜刚体位移明显,镜面平移占据了刚体位移的主要方面,基于集成仿真技术的面形处理算法可以有效消除刚体位移;预紧力存在、不同方向重力作用下摆镜面形影响略有不同,与预紧力相比重力作用对面形影响较小。预紧力作用下摆镜面形仿真数据对于摆镜设计、装调具有一定指导意义,也说明了基于接触方法面形仿真的工程适用性。     

支撑变形对亚纳米级面形检测精度的影响

光刻投影物镜中透物镜的面形精度是影响光学系统成像质量的关键因素之一,而支撑变形是影响面形精度的一个非常重要的因素.为提高大口径透镜的光学检测复现性,设计了一种整体式柔性支撑结构,分析了重力作用下弹片数量和各尺寸参数等对透镜面形精度及复现精度的影响.分析结果表明:增加弹片数量、减小支撑距离透镜中心的距离及增大弹片厚度可使透镜的变形减小;可以通过缩短弹片长度、增加弹片厚度及弹片数量来提高复现精度.根据各影响因素与复现性的关系分析得到的优化参数下的复现精度为0.21 nm rms,能够满足深紫外光刻投影物镜中透镜的高精度面形要求.     

大口径精密光学元件低应力支撑结构研究

为了实现倾斜安装放置状态的大口径精密光学元件低应力支撑结构分析设计,采用有限元分析方法,对45°倾斜角安装放置的精密光学透镜在自重作用下的镜面面形进行了研究。首先,建立了光学透镜不同胶结结构的有限元模型,从镜面对角线横截面自重变形及镜面面形的波面误差两方面,分析了两种胶结分布方式及不同胶点大小对镜面面形的影响。然后,在胶结结构基础上,建立了不同镜框支撑结构有限元模型,从镜面面形的波面误差方面,分析了支撑力分布方式对镜面面形的影响。最后,设计了胶结及镜框支撑的低应力支撑结构。分析结果表明,采用胶点直径为30 mm,矩形分布形式胶结,侧面均匀方式支撑镜框时,镜面面形的波面误差PV值为16.608 nm,RMS值为7.9385 nm,满足瑞利判据的要求,验证了支撑结构的合理性。     

单透镜高分辨成像系统的研究和设计

单片凸透镜由于存在较大像差，在实际应用中难以单独成像，相对孔径越大，单片凸透镜的成像质量越差，通常使用多片透镜以进行像差校正。针对单凸透镜成像质量差的的问题，提出了采用液晶空间光调制器和微扫描光楔实现单片凸透镜的高分辨成像。采用Zygo干涉仪测量单透镜波前，结合Zemax软件模拟得到经单透镜后的畸变波前，利用泽尼克多项式描述畸变波前，并绘制对应共轭波前的灰度图加载于液晶空间光调制器上，校正波像差；通过旋转楔角为21的光楔进行22微扫描，将四幅低分辨率图像经过Keren配准后以结构适应的归一化卷积法合成为一幅高分辨率图像。实验结果表明，图像分辨率MTF50达到1 348 LW/PH，成像质量明显提高。     

基于轴向移动柱面-泽尼克校正元件的动态像差校正技术

椭球形窗口光学系统最显著的特点在于其依赖扫描视场的动态像差变化特性,像散和彗差成为影响光学系统成像质量的主要因素,其中像散的影响最为突出。为解决这一难题,结合柱面透镜和泽尼克位相板的特点,提出了一种新颖的动态像差校正方法,即柱面-泽尼克元件校正方法,此元件的外表面为一对母线互相垂直的圆柱面,对应的两个内表面为泽尼克边缘矢高表面。该方法随扫描视场的变化实时地调整一对柱面-泽尼克校正元件间距以实现椭球形窗口引入像差的动态校正。突破了固定校正元件无法实现超大扫描视场的瓶颈。设计实例中成像光学系统实现了±55°扫描视场,各扫描视场像散和彗差的泽尼克像差系数P-V值校正到了±0.8个波长以内,椭球形窗口光学系统的成像质量得到了明显的提高。     

基于自准直原理的小视场镜头波像差测试系统

为实现对小视场光学镜头波像差的快速、高精度检测,将自准直原理与斐索型激光球面干涉仪检测波像差原理结合起来,提出一种基于自准直原理的光学镜头波像差检测系统。介绍了斐索型激光球面干涉仪检测波像差的工作原理,并详细论述了基于自准直原理的波像差检测系统的装调及检测方法。结合自准直光路的特点,实现对干涉仪光轴、被测光学镜头光轴以及高精度平面反射镜光轴的精确定轴,从而实现了系统光路的快速装调。实验证明,此系统可有效解决小视场光学镜头在波像差检测过程中的光轴偏斜问题,实现小视场光学镜头波像差快速、准确的检测。     

考虑像差影响的透射式光学系统失调校正方法

随着高分辨力光学系统应用领域的不断拓展,光学元件的高精度装配要求和高精度的设计要求一样,已成为光学系统分辨力的决定性因素。现有的高斯光学校正方法仅考虑物像位置关系的调整,已不能满足光学系统的调整要求,光学仪器的调整理论需要同步发展。考虑像差对光学系统失调的影响,提出了一种基于像差理论的(透射式)光学系统失调校正方法:分析了单透镜轴向位移引起的像差变化规律,给出了像差影响系数的定义;在此基础上,通过反演计算像面位置误差和放大率误差所需的透镜调整量,数学推导出了基于像差约束条件的光学系统失调校正公式。以三透镜准直系统为例进行了仿真实验验证,证明了将像差约束引导到校正方法中,能够同时满足高斯光学特性的要求和像差增量最小的要求。     

基于非理想标准镜的子孔径拼接干涉检测技术研究

在大口径光学镜面的检测中,随着参考镜尺寸的增加,加工精度的制约,重力变形,温度,环境等因素的影响使得参考镜在检测中已经不能作为理想平面镜。文中基于最大似然估计（ML）算法,Zernike 多项式拟合对利用非理想平面镜作为参考镜的子孔径拼接检测建立了一套合理的拼接算法和数学模型。并结合工程实例,完成了对2.5 m3.5 m 椭圆形平面镜的模拟拼接实验,拼接前后全孔径面形误差分布是一致的,其PV 值和RMS 值的偏差分别为0.022 与0.001 3 。全口径相位分布的PV 值与RMS 值的相对误差分别为2.81%与0.81%。实验结果表明:利用ML 拼接算法可以高精度地完成对参考镜为非理想平面的大口径平面镜的拼接检测。