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基于局部焦距追迹计算优化的广角镜头设计方法

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光子学报 2024年第3期53卷 91-99页

作者：陈露刘辉封志明陈熙源张帆许宁晏袁群高志山江苏省计量科学研究院(江苏省能源计量数据中心) 南京210023 东南大学仪器科学与工程学院南京210018 南京理工大学电子工程与光电技术学院南京210094

将焦距的内涵由零视场拓展至全视场,局部焦距可被用来表征各视场处极小视场角增量光线对应的像高增量,畸变则等效为随视场变化的局部焦距。继而,将局部焦距引入光学系统的设计过程用于畸变的表征与控制,可获得算测融合的效果。针对鱼眼... 详细信息

将焦距的内涵由零视场拓展至全视场,局部焦距可被用来表征各视场处极小视场角增量光线对应的像高增量,畸变则等效为随视场变化的局部焦距。继而,将局部焦距引入光学系统的设计过程用于畸变的表征与控制,可获得算测融合的效果。针对鱼眼镜头大视场、中央视场分辨率高且无畸变的成像目标,通过对局部焦距的追迹计算和优化控制,设计了全视场角160°,50%中央视场满足f-tanθ等线投影的鱼眼镜头。针对有限物距曲面物体复杂成像场景,通过对局部焦距的调控变换,为多种曲率半径数值的凸、凹物面设计了相应的广角镜头,满足了120°视场范围内物方等分辨率投影映射的效果。

关键词：光学设计局部焦距光线追迹广角镜头

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融合光学椭率判据的自由曲面望远镜设计方法

光子学报 2024年第3期53卷 74-90页

作者：黄静许宁晏邹宇通乔文佑伦旭磊孔梅梅陆辰熙高志山袁群南京理工大学电子工程与光电技术学院南京210094 南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院南京210023

光学椭率是联系天文望远镜光学设计与暗物质探测科学目标的一项核心性能指标,然而目前还没有将椭率作为指标融入光学系统优化设计过程的完整方法。提出了一种融合光学椭率判据的自由曲面望远镜光学设计方法,依据椭率与彗差、像散等非旋... 详细信息

光学椭率是联系天文望远镜光学设计与暗物质探测科学目标的一项核心性能指标,然而目前还没有将椭率作为指标融入光学系统优化设计过程的完整方法。提出了一种融合光学椭率判据的自由曲面望远镜光学设计方法,依据椭率与彗差、像散等非旋转对称像差的关系,提出了椭率关联性较强的像差分量优先校正原则,开拓了主要离轴像差校正后通过MZDDE在评价函数中融入椭率判据的设计思想,结合离轴三反系统中像差节点与椭率节点在优化过程中的演变规律,建立了自由曲面面型Zernike项的优化策略。据此设计了离轴三反自由曲面天文望远镜,系统有效焦距为600 mm,口径为200 mm,视场为4°×4°。通过波像差和椭率的联合优化,成像像质及光学椭率得到了同步有效控制,波像差近衍射极限,椭率最大值为0.030 3,平均值为0.015 6。与从低阶项到高阶项的传统像差校正优化方法相比,该方法采用相对较小的自由曲面偏差,设计的自由曲面望远镜成像质量和椭率性能得到了同步控制,充分发挥了自由曲面的效能,设计效率优势明显。

关键词：光学设计自由曲面光学椭率节点像差 Zernike多项式

发挥蝙蝠翼高频脉冲特性的微结构线宽超分辨测量方法

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光学学报 2024年第13期 145-152页

作者：徐志毅范筱昕张佳乐周圣航郭珍艳朱丹高志山袁群南京理工大学电子工程与光电技术学院

白光显微干涉是阶跃型微结构三维形貌无损测量的经典方法，但其低通滤波特性使阶跃边缘本应突变的三维形貌被平滑，导致边缘定位困难，影响线宽参数的计算提取。当微结构深度在光源相干长度内时，蝙蝠翼效应使阶跃边缘处的复原形貌产生... 详细信息

白光显微干涉是阶跃型微结构三维形貌无损测量的经典方法，但其低通滤波特性使阶跃边缘本应突变的三维形貌被平滑，导致边缘定位困难，影响线宽参数的计算提取。当微结构深度在光源相干长度内时，蝙蝠翼效应使阶跃边缘处的复原形貌产生尖锐脉冲。蝙蝠翼脉冲是三维形貌中的伪信号，但其高频特性更利于阶跃边缘的识别。微结构线宽为两阶跃边缘各自对应蝙蝠翼脉冲高度峰值位置的间距。然而，三维形貌空间采样频率受成像艾里斑和探测器像素大小限制，在线宽测量方向上通常仅有数个像素点受蝙蝠翼效应影响，通过蝙蝠翼脉冲高度峰值定位，线宽测量精度仅有像素级别。本文建立了针对蝙蝠翼效应及其离散采样特性的白光干涉信号数值仿真模型，发掘了线宽正交方向上样品阶跃边缘形貌的空域缓变特性，等效提高了蝙蝠翼脉冲在该方向的采样频率。据此提出了一种基于蝙蝠翼高度峰值位置高精度定位的微结构线宽超分辨白光干涉测量方法，并依据实测条件分析了样品位姿对测量精度的影响。以RSN标定板为样品，采用成像艾里斑半径约为0.590μm的测量系统，利用本文方法实测标定线宽2～6μm的光栅区域线宽结果与标定值偏差小于0.021μm，实验结果证明，该方法可以实现远高于系统横向分辨率的线宽超分辨测量。

关键词：线宽测量超分辨白光干涉蝙蝠翼效应信号采样

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基于显微技术的微区应力测量技术

激光与光电子学进展 2024年

作者：郑杰高志山金能郭珍艳袁群朱丹车啸宇雷李华傅云霞南京理工大学电子工程与光电技术学院上海市计量测试技术研究院

微区应力在PCB焊接、透明导电膜镀制、显微光学系统装配等过程中普遍存在，将降低器件的性能和运行安全。现有应力测量系统适用于大尺度的光学材料，不能用于微区应力测量；针对微区应力非接触无损测量问题，提出了一种基于显微技术的... 详细信息

微区应力在PCB焊接、透明导电膜镀制、显微光学系统装配等过程中普遍存在，将降低器件的性能和运行安全。现有应力测量系统适用于大尺度的光学材料，不能用于微区应力测量；针对微区应力非接触无损测量问题，提出了一种基于显微技术的微区应力测量方案，该方案融合了基于偏振的光学应力测量系统与对微区成像的显微系统，可实现横向尺度为毫米或亚毫米量级区域范围的应力测量。以国家标准GB/T 7962.5-2010的2.3%相对误差测量精度要求为例，开展了测量装置的系统设计与元件误差分析研究。为验证理论设计与测量方案的有效性，构建了一套测量微区应力分布的装置，工作波长为532nm，显微物镜倍率为50×，相应的理论空间分辨率为0.59μm。选择工作于532nm、相位延迟量由计量部门赋值的零级1/4波片为测量对象，测量区域直径为0.96㎜，相位延迟量测量结果为1.595rad。经与中国计量科学研究院的检测结果 1.604rad比对，绝对误差为0.009rad，相对误差仅为0.6%，验证了测量装置的测量精度。利用该装置，检测了石英玻璃的不同测量区域在施加不同大小预压力下的相位分布。结果表明：该测量方法的测量误差在1%内，可检测出现有测量系统无法分辨的微小区域应力。

关键词：测量微区应力检测显微技术相位延迟

白光显微干涉测量曲面样品形貌误差的校正方法

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应用光学 2024年第2期45卷 422-429页

作者：李赫然袁群范筱昕张佳乐马剑秋乔文佑高志山郭珍艳雷李华傅云霞南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094 江苏省计量科学研究院江苏南京210023

白光显微干涉术在平面阶跃型结构的形貌测量中具有显著优势。但在测量斜率变化的曲面样品时,由于物镜数值孔径的限制,样品表面反射光随着斜率的增大而减弱,干涉信号对比度降低,导致形貌测量结果的误差增大。基于表面传递函数(surface tr... 详细信息

白光显微干涉术在平面阶跃型结构的形貌测量中具有显著优势。但在测量斜率变化的曲面样品时,由于物镜数值孔径的限制,样品表面反射光随着斜率的增大而减弱,干涉信号对比度降低,导致形貌测量结果的误差增大。基于表面传递函数(surface transfer function, STF)计算得到的逆滤波器可用于校正曲面样品的形貌测量误差,但现有方法的逆滤波器增益受限,无法有效提升频谱中的高频信号,对最大可测量斜率的提升有限。针对该问题,提取由白光干涉仪特性参数计算获得的虚拟STF的模作为振幅增益函数,由干涉图傅里叶变换得到的实测STF的相位作为相位补偿函数,形成虚实融合型逆滤波器,据此实现白光干涉仪曲面形貌测量误差的校正。应用该方法校正微球的形貌测量结果,校正后最大可测量斜率从8.09°提升到21.20°,均方根误差从0.545 5μm降低至0.175 9μm,实现了提升曲面样品的最大可测量斜率和减小测量误差的目的,有效提升了仪器针对曲面样品的测量范围。

关键词：白光显微干涉仪表面传递函数表面形貌测量误差校正逆滤波算法

基于拒绝采样法的BRDF模型散射光线追迹方法

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光学学报 2023年第6期43卷 210-217页

作者：伦旭磊朱丹高志山许宁晏乔文佑袁群南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094

针对现有散射光线追迹概率模型方案受限于解析解难以获取的问题,提出利用拒绝采样法设计基于双向反射分布函数(BRDF)的散射光线追迹概率模型,通过设置检验条件规避了积分求解过程,进而筛选出有效角度坐标,实现散射光线追迹,该方案具有... 详细信息

针对现有散射光线追迹概率模型方案受限于解析解难以获取的问题,提出利用拒绝采样法设计基于双向反射分布函数(BRDF)的散射光线追迹概率模型,通过设置检验条件规避了积分求解过程,进而筛选出有效角度坐标,实现散射光线追迹,该方案具有适用范围广的优势。对于具有平移不变性的BRDF模型,进一步提出对称采样方案,通过将采样区域减半后再镜像提升速率。设置表面属性、入射角与追迹光线数量等仿真条件相同,编制了本文方案的仿真程序,对不同光机结构材料进行建模仿真后从重复性和精确度方面与LightTools软件运算结果作对比验证,基于拒绝采样法编制程序的仿真结果可以与软件模型结果相媲美。最后对软件中未包含的BRDF模型进行建模仿真以进一步验证上述方案的普适性。

关键词：测量双向反射分布函数光线追迹拒绝采样法蒙特卡罗法概率模型

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自由曲面成像光学系统的初始结构设计方法

红外与激光工程 2022年第2期51卷 450-461页

作者：许宁晏陈露黄静邹宇通袁群高志山南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094 北方信息控制研究院集团有限公司江苏南京211153

自由曲面设计自由度多、面型表征能力强等优势使成像光学系统突破了传统面型表征和系统结构的限制,在进一步提高成像质量的同时可以实现大视场、大孔径、小型化、轻量化等设计目标。良好的初始结构可以充分发挥自由曲面对像差的校正能力... 详细信息

自由曲面设计自由度多、面型表征能力强等优势使成像光学系统突破了传统面型表征和系统结构的限制,在进一步提高成像质量的同时可以实现大视场、大孔径、小型化、轻量化等设计目标。良好的初始结构可以充分发挥自由曲面对像差的校正能力,提高系统设计效率。与共轴光学系统相比,自由曲面成像光学系统设计存在可参考样例少、像差理论尚不完善等问题,其初始结构的构造与求解仍然是先进光学设计领域的前沿热点问题之一。结合课题组多年的研究心得,探讨了现有的自由曲面成像光学系统初始结构设计方法,依据自由曲面构造原理将其分为同轴系统离轴化法、直接设计法、视场孔径扩展法和分段拼接融合设计方法,并分别介绍其设计原理和思路。最后对自由曲面成像光学系统初始结构设计中亟待解决的问题进行了分析总结。

关键词：光学设计自由曲面成像系统初始结构

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基于像差补偿的近红外显微干涉硅通孔测量

光学精密工程 2023年第3期31卷 301-312页

作者：吴春霞马剑秋高志山郭珍艳袁群南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094

为了实现深宽比大于6∶1的硅通孔的形貌测量,提出了一种基于像差补偿的近红外显微干涉检测方法。该方法采用近红外宽带光作为光源,能够穿透硅通孔,检测系统中内置变形镜自适应像差补偿模块,主动补偿硅通孔引入的调制像差。在检测硅通孔... 详细信息

为了实现深宽比大于6∶1的硅通孔的形貌测量,提出了一种基于像差补偿的近红外显微干涉检测方法。该方法采用近红外宽带光作为光源,能够穿透硅通孔,检测系统中内置变形镜自适应像差补偿模块,主动补偿硅通孔引入的调制像差。在检测硅通孔三维形貌时,依据COMSOL Multiphysics有限元仿真软件得到的三维硅通孔高深宽比结构对探测光的调制像差规律,指导设置需变形镜补偿的像差种类和量值,用基于频域的评价函数指标阈值,判定硅通孔底部图像的聚焦状态,获得待测硅通孔清晰的底部图像,本质上提升探测光的重聚焦能力。在此基础上,使用垂直扫描干涉法得到待测硅通孔的深度与其三维形貌分布。实验测量了直径为10μm、深度为65μm、深宽比为6.5∶1和直径为10μm、深度为103μm、深宽比为10.3∶1的硅通孔深孔,并与高精度SEM的测量结果对比,深度测量的相对误差为1%。与白光显微干涉测量结果对比表明,本文所提出的方法可以获得清晰的高深宽比硅通孔的底部图像,有效增强底部的宽谱干涉信号和对比度,能够准确测量更高深宽比硅通孔的三维形貌。

关键词：无损测量光学显微干涉自适应像差补偿 COMSOL仿真硅通孔形貌

小F数标准球波面透镜组的F′C重合误差分析

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中国激光 2004年第7期31卷 793-796页

作者：高志山南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094

标准球波面透镜组是光干涉计量测试凸、凹球面面形质量的重要测量器具 ,它能产生 P V值优于λ/2 0 (λ=0 6 32 8μm)的标准球面波 ,透镜组中末球面为标准球面。其使用特点要求透镜组的焦点 F′与末面球心C重合 ;如果存在重合误差 ,则... 详细信息

标准球波面透镜组是光干涉计量测试凸、凹球面面形质量的重要测量器具 ,它能产生 P V值优于λ/2 0 (λ=0 6 32 8μm)的标准球面波 ,透镜组中末球面为标准球面。其使用特点要求透镜组的焦点 F′与末面球心C重合 ;如果存在重合误差 ,则用于球面面形检验时会引入测量系统误差。推导分析了F′C的允许重合误差与透镜组F数等参量的关系 ,运用ZEMAX光学设计软件模拟给出系列小F数标准球波面透镜组允许的F′C重合误差 ,并设计实验测试方案 ,得到反映标准球波面透镜组F′C重合误差的干涉图 ,它们的波像差均小于 5λ。由理论分析与实验测试结果可知 ,F数很小 (如F/1 5 ,F/0 75 )的标准球面透镜组 ,F′C重合误差小于 0 0 3mm ,甚至达到微米量级。

关键词：光学技术与仪器误差分析光学设计球波面干涉仪