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第7章 基于折射型微光学的现代光学系统.ppt 77页
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第7章 基于折射型微光学的现代光学系统
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第七章 基于折射型微光学的现代光学系统 Dammann光栅型分束器 泰伯光栅阵列照明器 波面变换与光束整形微光学系统 无衍射光束传播及长焦深二元光学器件 §7.1
CCD非成像聚光微光学系统
微透镜与CCD 集成的原理简图如图所示，微透镜阵列的几何参数设计必须与CCD 结构尺寸相匹配，采用的CCD 为516×516 ，像元大小22μm ×22μm ，光敏元7μm ×16μm。 信号光入射到受光面，只有光敏区部分产生光电响应，构成有效信号，而入射到其它区域的信号光被浪费，信号光利用率约1/3，即填充因子约1/3。 因此，采用微透镜主要是将浪费掉的2/3 的信号光会聚到光敏感区上充分利用，提高其探测灵敏度和信噪比。 对于CCD 的结构，设计所需微透镜的面形参数。虽然双凸透镜的聚光效果优于平凸透镜，但双凸微透镜的制作过于复杂，制作精度不高。 光学胶的作用主要是粘合CCD 芯片和微透镜阵列，以及调整两者之间的间距，使微透镜的焦斑尽可能落在相对应的光敏区的中央位置，其平均折射率约为1.52。 由于CCD 的工作波段是在可见光范围，选用光学玻璃（如K9玻璃） 作为透镜材料，它在可见光波长范围内具有良好的透射特性（大于99 %），折射率为1. 64。 微透镜设计指标：厚度1mm、口径22μm 、聚光面积7μm 。 根据几何光学方法，可分析微透镜的结构参数。 为精确分析，可利用Zemax软件进行设计，f ’＝1087μm、R=500μm。 彩色CCD原理 §7.2 密集多载波光波分复用微光学系统 光波分复用器是实现光波波分复用传输的关键器件，近年来，各种类型的波分复用器发展很快。 目前研究最热门的是采用紫外光直接写入式光纤布拉格栅结构，另外，还有光纤法布里－珀罗谐振型(FFP)和声光调谐型等波分复用器件。 法布里－珀罗型波分复用器件由两段尾纤和一个或两个体谐振腔组成，谐振腔通过外置反射镜或光纤端面蒸镀介质反射膜形成，腔长通过机械、温度或电控的液晶等来调节；声光调谐型波分复用器件主要是利用光耦合作用来对波长进行滤波的。 无源型波分复用器件虽然不能利用反馈技术进行自动信道跟踪和锁定，对光源波长稳定性的要求较高，但是器件本身结构较简单，使用方便。 无源型波分复用器件可分为下述三种类型：
1)干涉滤光片型； 2)角色散型(包括光栅型和棱镜型)；
3)熔融光纤型。
密集多载波波分复用技术是将单模光纤低损耗传输窗口波长分割成间隔为几纳米的若干个传输信道，采用可调谐窄线宽光源将每个信道的光载波波长调定在对应的低损耗传输通道波长上，通过波分复用器件实现多个载波信号同时在一根光纤中的传输，从而大大提高光缆线路的传输容量。
图中所示是工作于1.536～1.564μm波长的无源光栅型密集波分复用器的结构示意图，新型光栅型波分复用器与传统光栅Littrow型波分复用器的区别在于输入输出采用不同的透镜，且输入透镜采取在每根光纤末端各放置一个微透镜的结构，即用输入微透镜阵列来代替多根光纤共用一个输入透镜的结构。 此微透镜阵列的作用是对输入光纤末端出射的很细的高斯光束的输入角进行扩展，因此光纤/微透镜阵列的组合等效于一个更大芯径的光纤阵列，增大了光纤的数值孔径。 此时，相对带宽得到很大提高，降低了对激光器频率稳定的要求，降低了波长选择和控制的精确度，提供了更大的通道安装强度。 §7.3
Shack－Hartmann波前传感器微光学系统
Hartmann方法最初用在天文上对变形波前进行测量，后来多被光学测量问题采用。 小型实时的Shack－Hartmann传感器的真正实现归功于微透镜列阵的引入。随着二元光学技术制作微透镜列阵方法的成熟，灵巧的微透镜列阵与传感器及高速计算机结合，使该方法产生了突破，人们已把波前传感器用于自适应光学和激光材料处理系统。 Hartmann传感器用于测量光学元件的质量，在一定精度条件下，与干涉仪相比，波前传感器具有方法简单、容易操作，价格低及速度快等优点。 哈特曼光阑（Hartmann Screen）法 哈特曼法属于光阑法，它是从几何光学的观点出发来研究经过光学系统后的会聚光束偏离同心的程度，以确定被检验系统的质量的像差检定方法。 检验的基本原理是将穿过预定区域的波前大量定位采样，当实际波前在某个采样点所在区域相对于理想波面倾斜时，将会使得通过此区域的光线达到焦面时的位置有改变。 通过在焦平面前后某些截断面上检测光线的位置，运用几何计算方法，可对单个主镜面的面型误差和镜面的光能集中度进行计算，对整个望远镜系统也可以算出望远镜的光能集中度等指标和像差。
图（a）为经典的Hartmann光阑法检测望远镜系统的原理图，（b）是检测中所用的Hartmann光阑。光阑以中心为圆心，不同的y半径上钻有相同大小的孔，分别在焦前和焦后x
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成像焦前和焦后都属于对焦不实，被摄主体都会发虚不清晰。焦前的特征是被摄主体前面的物体会比主体和背景更清晰一些，焦后则正好相反，被摄主体的后面的景物甚至无限远的景物要比主题还清晰一些。
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