像差補償
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
像差補償的實例教程
由于固體板條激光器具有特殊的結構形式與工作方式，與常規自適應光學系統相比，固體板條激光器的自適應光學系統需解決大長寬比光束大幅值低階像差預補償、波前斜率局部異常處理以及高靈活性波前處理等特有問題。許冰團隊突破了低階像差補償器、加權優化波前復原方法以及通用波前處理機等關鍵技術，實現了1.64倍衍射極限的優異光束質量。基于上述技術研制了二十余套自適應光學系統，已服務于國內多家單位研制的固體板條激光系統中，獲得了良好的效果，保障了上述激光系統的光束質量。
校正后的光束遠場強度分布
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在電子顯微鏡中須考慮到的像差(aberration)包括:衍射像差(diffraction aberration)、球面像差(spherical aberration)、散光像差(astigmatism)及波長散布像差(即色散像差，chromatic aberration)。
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面像差為物鏡中主要缺陷，不易校正，因偏離透鏡光軸之電子束偏折較大，其成像點較沿軸電子束成像之高斯成像平面(Gauss image plane)距透鏡為近。
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散光像差由透鏡磁場不對稱而來，使電子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同點上。散光像差一般用散光像差補償器(stigmator)產生與散光像差大小相同、方向相反的像差校正，目前電子顯微鏡其聚光鏡及物鏡各有一組散光像差補償器。
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光圈衍射像差(Aperture diffraction):由于電子束通過小光圈電子束產生衍射現象，使用大光圈可以改善。
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色散像差(Chromatic aberration):因通過透鏡電子束能量差異，使得電子束聚焦后并不在同一點上。
展開 當追跡誤差朝向法線（-1.5°）時，發生相反的情況（衍射角變化補償透鏡場曲）。衍射和場曲的耦合/補償可以在上面的表1中的“Loss due to Tracking”值中看到。追跡誤差引起的損耗對于沿著光柵條紋方向的角度變化是類似的。
在圖6中，還可以看出不管追跡誤差如何，點列圖顯示出顯著的彗差圖案。由于大角度處較大的波長衍射，因此隨著波長增加，彗差的影響更明顯，如圖6中點列圖的“尾部”的增加寬度和圖1（c）中的原型的衍射圖案所示。
圖6.在圖4的焦平面處的追跡誤差（±1.5°）
3.1.1 彗差和能隙位置補償
通過非平面構造幾何形狀，可以實現彗差補償。在共軛方向上使用兩個球面波束（點光源），取代在（實）傳播方向上的兩個平面波前（如圖7的頂部所示）。參考點源位于透鏡的近軸焦點處，物光源位于所需的接收器位置，如圖7的底部所示。記錄幾何形狀的共軛還允許調整接收器的位置（如平面焦平面）。
圖7.真實的全息記錄（左上），用于補償彗差并將接收器（能隙）定位在平坦表面上的共軛結構（左下）。
近軸焦點處的參考點光源由透鏡轉換成平面波前。相反，物點光源被透鏡轉換成有像差的準平面波前。通過在透鏡的平面上記錄具有準平面波前的光柵來校正該效應。
通過在平坦表面上使用期望的點源對象光束，來調整接收器的位置，如圖7的左下幾何結構所示。
圖8.在左邊，采用真實結構（平面光柵）記錄的光柵重建，分別對應于（a）單色光（633nm的HeNe）和（b）白光（氙弧太陽模擬器）。在右側，采用共軛結構（補償光柵）記錄的光柵重建，分別對應于（c）單色光和（d）白光。
圖8（a）和（c）的比較顯示出彗差的共軛結構補償，將光引向更緊密的焦點。對于單色和白光重建可以看到類似的結果。
4.
展開 </span></p><p><br></p><p><br></p><p><strong>球面像差的量化</strong></p><p><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">光學系統或光學元件（例如透鏡）的球面像差強度通常通過繪制圖像</span>焦點<span style="color: rgb(0, 0, 0);">縱向位置的偏差作為入射光線橫向偏移的函數來量化。通常，人們會交換坐標軸，以便得到的圖更接近于水平光軸。上述位置誤差可能與橫向光束坐標的平方成比例，但在球面像差得到部分補償的情況下（見下文），該補償可能適用于特定的水平偏移，但不適用于其他偏移。</span></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong>減少球面的像差</strong></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">球面像差可以用不同的方法減少:</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">· </span>最簡單的方法是用光學孔徑<span style="color: rgb(0, 0, 0);">限制入射光的面積。這樣，就可以防止球差最嚴重的外部區域對圖像產生影響。然而，這意味著光通量降低。
展開 由于雙高斯照相物鏡結構的對稱性，原則上所有橫向像差都能自動補償，因此在設計思路上只著眼于縱向像差的平衡設計。為此在設計過程中首先從設計其半部系統入手，然后再經過鏡像處理形成雙高斯照相物鏡的全系統。雙高斯照相物鏡的半部系統在其系統光欄后只包括一個雙膠合透鏡和一片單透鏡組成，如圖2。
該類型鏡頭結構簡單，成本低，容易滿足使用要求。目前市場上也有大量鏡頭設計專利可供選用。由于具體設計需要滿足不同設計指標，引來的專利數據不可能直接拿來就用，大部分都還需要光學設計者進行二次修改設計，利用光學軟件進行進一步優化設計，以滿足具體設計要求。然而，也不是任何一個設計者拿來專利都可以優化出來一個優質照相鏡頭的，還必須了解該形式鏡頭的設計思想，各結構參數對系統像質的貢獻，熟練地掌握系統內涵才便于得心應手的處理鏡頭優化工作。OCAD給出雙高斯照相物鏡初始設計的思路及方法就是為使設計者了解該鏡頭的設計思路及各結構單元的功能，掌握設計及優化技巧。
在設計之前，先打開設計窗口如圖3。填寫設計要求，其中包括：系統焦距、系統孔徑、視場角度以及應滿足的初級像差系數值SⅠ、SⅢ、SⅣ及CⅠ等。然后按順序選擇單透鏡的玻璃材料以及雙膠合厚透鏡的玻璃組合。選擇厚透鏡的玻璃組合時一般是按照等折射率的匹配原則選取。
在初始設計階段，把雙膠合物鏡當成一個厚透鏡，單透鏡當做一個薄透鏡處理。雙膠合的厚透鏡通常還宣稱一個等折射率無光焦透鏡。由于雙高斯物鏡在初始設計階段只考慮縱向像差的影響，具體地說，只考慮系統初級像差的SⅠ、SⅢ、SⅣ及CⅠ的影響。為此，其中單透鏡主要負擔平衡軸向球差SⅠ的作用，厚透鏡兩塊玻璃的選擇及光焦度分配影響系統色差CⅠ，透鏡厚度及光字段置影響著系統場曲及象散的大小。
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由于雙高斯照相物鏡結構的對稱性，原則上所有橫向像差都能自動補償，因此在設計思路上只著眼于縱向像差的平衡設計。為此在設計過程中首先從設計其半部系統入手，然后再經過鏡像處理形成雙高斯照相物鏡的全系統。雙高斯照相物鏡的半部系統在其系統光欄后只包括一個雙膠合透鏡和一片單透鏡組成，如圖2。
該類型鏡頭結構簡單，成本低，容易滿足使用要求。目前市場上也有大量鏡頭設計專利可供選用。
由于雙高斯照相物鏡結構的對稱性，原則上所有橫向像差都能自動補償，因此在設計思路上只著眼于縱向像差的平衡設計。為此在設計過程中首先從設計其半部系統入手，然后再經過鏡像處理形成雙高斯照相物鏡的全系統。雙高斯照相物鏡的半部系統在其系統光欄后只包括一個雙膠合透鏡和一片單透鏡組成，如圖2。
h3><strong style="color: rgb(31, 73, 125); background-color: rgb(255, 255, 255);">設置7（公差數據編輯器）</strong></h3><p><span style="color: rgb(63, 63, 63);">使用OpticStudio中的公差功能對輸入波前引入隨機的波前差，并通過調整每個子鏡的Z軸位置和傾斜來補償這些像差
上述位置誤差可能與橫向光束坐標的平方成比例，但在球面像差得到部分補償的情況下（見下文），該補償可能適用于特定的水平偏移，但不適用于其他偏移。
由于雙高斯照相物鏡結構的對稱性，原則上所有橫向像差都能自動補償，因此在設計思路上只著眼于縱向像差的平衡設計。為此在設計過程中首先從設計其半部系統入手，然后再經過鏡像處理形成雙高斯照相物鏡的全系統。雙高斯照相物鏡的半部系統在其系統光欄后只包括一個雙膠合透鏡和一片單透鏡組成，如圖2。
圖2.雙高斯照相物鏡半部系統
初始結構設計實際上只是系統高斯光學設計階段。
由于雙高斯照相物鏡結構的對稱性，原則上所有橫向像差都能自動補償，因此在設計思路上只著眼于縱向像差的平衡設計。為此在設計過程中首先從設計其半部系統入手，然后再經過鏡像處理形成雙高斯照相物鏡的全系統。雙高斯照相物鏡的半部系統在其系統光欄后只包括一個雙膠合透鏡和一片單透鏡組成，如圖2。
圖2. 雙高斯照相物鏡半部系統
初始結構設計實際上只是系統高斯光學設計階段。
設置7（公差數據編輯器）
使用OpticStudio中的公差功能對輸入波前引入隨機的波前差，并通過調整每個子鏡的Z軸位置和傾斜來補償這些像差。在公差函數編輯器中使用公差操作數TEZI在虛擬玻璃平板（表面3）上引入隨機的矢高差。同時，設置表面4坐標間斷面沿X軸的傾斜和沿Y軸的傾斜以及鏡面的位置作為優化的補償器（變量）。
前文中使用了厚度求解來限制子鏡的位置。
關鍵詞：光譜分裂；全息；太陽能；聚焦光伏；像差補償；光管理；損耗減少
1. 簡介
圖1.多能隙結構（a）串聯（堆棧或垂直）和橫向：（b）色散（c）反射
在單光伏（PV）結器件中，低于能隙的光子能量不能被吸收。相反，超過能隙的光子能量被部分地轉換成電功率，其余能量在PV器件內被熱化。
散光像差一般用散光像差補償器(stigmator)產生與散光像差大小相同、方向相反的像差校正，目前電子顯微鏡其聚光鏡及物鏡各有一組散光像差補償器。
由于固體板條激光器具有特殊的結構形式與工作方式，與常規自適應光學系統相比，固體板條激光器的自適應光學系統需解決大長寬比光束大幅值低階像差預補償、波前斜率局部異常處理以及高靈活性波前處理等特有問題。許冰團隊突破了低階像差補償器、加權優化波前復原方法以及通用波前處理機等關鍵技術，實現了1.64倍衍射極限的優異光束質量。
