施密特棱镜偏振像差矫正特性分析程序设计毕业设计.docx

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施密特棱镜偏振像差矫正特性分析程序设计毕业设计

西安工业大学北方信息工程学院

本科毕业设计（论文）

题目：

施密特棱镜偏振像差矫正特性分析程序设计

系别：

光电系

专业：

光电信息工程

班级：

B120108

学生：

学号：

B12010826

指导教师：

2016年4月14日

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

毕业设计（论文）任务书

系别光电系专业光电信息工程班级B120108姓名王和平学号B12010826

1、1.毕业设计（论文）题目：

施密特棱镜偏振像差矫正特性分析程序设计

2.题目背景和意义：

为偏振像差分析设计一款实用程序。

3.设计（论文）的主要内容（理工科含技术指标）：

①了解施密特棱镜偏振像差现象与机理。

②熟悉因子B值与光斑分裂的关系、B值与反射相移差的关系，明确其物理意义。

③设计依据上述两个关系计算并绘制光斑分裂图的程序。

④设计将膜系位相差计算程序，并与上述程序合并为一个程序。

⑤分别以单层AL膜和三层介质膜为例，验证所编程序的有效性。

4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：

2015.11.27-2015.12.19:

学习施密特棱镜偏振像差机理，熟悉因子B值与光斑分裂的关系、B值与反射相移差的关系；确认程序编制工具。

完成开题报告。

2015.12.20-2016.1.16:

编制分析程序。

2016.1.17-2016.3.14:

以单层AL膜和三层介质膜为例，验证所编程序的有效性。

2016.3.15-2016.4.15:

完成毕业论文。

5.毕业设计（论文）的工作量要求

①实验（时数）*或实习（天数）：

②图纸（幅面和张数）*：

③其他要求：

指导教师签名：

年月日

学生签名：

年月日

系主任审批：

年月日

说明：

1本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。

2带*项可根据学科特点选填。

施密特棱镜偏振像差矫正特性分析程序设计

摘要

本软件是在MATLAB的平台上，利用GUIDE功能以及TFCal膜系设计开发的数据输入输出界面。

主要功能有：

输入特定位相差值及对应波长和其他参数，输出零级衍射光强矫正态分布图——以等光强线形式输出。

输入特定位相差值及其对应参数，输出屋脊面反射相移差矫正态分布图——以曲线形式输出。

本文着重介绍斯密特棱镜反射相移差对衍射光强分布的影响，斯密特棱镜的Jones矩阵，施密特棱镜偏振像差校正效果分析，施密特棱镜零级衍射光斑分裂机理，GUI基本设计程序，以及TFCal膜系设计软件的相关程序。

关键词：

GUIDE，偏振像差，TFCal膜系设计，相位膜，施密特棱镜

Schmidtprismpolarizationaberrationcorrection

featureanalysisprogram

Abstract

ThissoftwareisintheplatformofMATLAB,theuseofGUIDEfunctionandtheTFCalfilmsystemdesignanddevelopmentofdatainputandoutputinterface.Mainfunctions:

theinputvaluesandthecorrespondingwavelengthBandotherparameters,outputthezero-orderdiffractionlightintensitycorrectionmodedistribution-intheformoflightintensity,suchaslineoutput.InputBvalueandthecorrespondingparameters,outputtheroofsurfacereflectiondifferentialphaseshiftcorrectionmode-intheformofcurveoutput.

Emphaticallyintroducedinthispaper,schmidtprismsreflectionphaseshiftbadinfluenceonthediffractionintensitydistribution,schmidtprismofJonesmatrix,Schmidtprismpolarizationaberrationcorrectioneffectanalysis,schmidtprismzero-orderdiffractionlightsplittingmechanism,aswellasthebasicGUIdesignprocedures.

Keywords:

GUIDE;Polarizationaberration;TFCalfilmsystemisdesigned,Phasemembrane，schmidtprism

毕业设计（论文）独创性声明..................................................................................23

1绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

施密特棱镜是一种光学棱镜，广泛应用于光学系统中。

对施密特棱镜在偏振和衍射双重效应影响下的传光特性的研究，得到了偏振效应直接导致艾里斑中心分裂是破坏施密特棱镜成像质量的主要成因。

同时施密特棱镜偏振像差的矫正即为减小施密特棱镜对系统成像质量的不良影响。

研究表明，影响施密特棱镜成像质量的因素中，除了结构制造误差之外，还有棱镜的偏振效应引起的偏振像差，是偏振效应引起的不均匀偏振变化使得屋脊棱镜的衍射光斑发生了分裂。

本文意在探讨施密特棱镜结构参数和界面反射相移与施密特棱镜远场衍射的关系。

通过衍射积分得到出射光强的远场衍射光强分布函数，据此分析施密特棱镜结构参数和界面反射相移对衍射光强分布的影响，明确消除或减小零级衍射光斑分裂的条件。

同时为了减少乃至消除系统中的偏振像差，实现高的成像质量，通常会在一些全反射棱镜的表面镀上相位膜层，通过改变屋脊棱镜的反射相移来减少衍射光斑分裂的情况。

本文是在这样一个背景下，开展对施密特棱镜偏振像差矫正特性更深层次的研究——施密特棱镜偏振像差矫正关键因子分别与位相差和光斑分裂有关的程序设计，并且搭载MATLAB的平台，利用GUIDE（c/c++/Pascal）和FTCal膜系设计软件功能开发的数据输入输出界面，输出衍射光强矫正态分布图,希望研究结果为斯密特棱镜偏振像差矫正检测奠定基础。

1.1.2研究意义

施密特棱镜的偏振像差现象是：

自然光经过后造成双像，线偏振光和部分偏振光经过棱镜后造成两个强度不等的鬼像或像中心的偏移，任何偏振态的光波经过施密特棱镜后，都会因偏振像差而导致成像质量的劣变。

因此，对偏振像差进行校正，分析其校正效果，对改善光学系统的成像质量是十分必要的。

由于在采用施密特棱镜会对系统产生一些不良影响，从而在光学层面上，国内外许多专家以及从业学者努力寻找方法进行偏振像差矫正，并且有一定成功的

研究成果。

其特殊的研究意义，相继开展了有关软件方面的开发，并且搭载相关软件使问题更能轻松完成，现象更直观。

1.2国内外相关研究状况

国内从19世纪80年代开始着手研究器件的偏振效应，特别广泛的还是对角锥棱镜的研究。

对于偏振像差的研究,已经确定了光线追迹法和偏振像差函数法来研究偏振像差,国内北京航天航空大学研究了减少偏振像差的方法，就是使用锻膜的方式减小偏振像差。

浙江大学几位学者对薄膜的偏振像差进行了研究，他们将减小入射角度的透射率差和位相差作为膜系的优化附加条件从而提出了减小薄膜诱导偏振像差的膜系优化设计方法。

西安工业大学在别汉棱镜偏振像差研究明确了别汉棱镜偏振像差的现象产生的原因，及其与棱镜结构特性参数的关系。

在大数值孔径和光刻光学系统中，针对偏振像差的分析大多采用泡利泽尼克多项式展开，而校正则采用类似于传统像差校正的方法，或者直接采取线偏振光照明的措施。

国外关于偏振像差的研究从20世纪50年代开始，刚开始也只是简单地讨论和分析了仪器偏振对某些具体的光学系统的影响，Inoue和Hyde细致的分析了干涉显微镜中的仪器偏振效应。

他们设计了一种仪器补偿器来减少高速显微镜引起的线性偏振效应。

国外讨论偏振效应最多的器件应该是角锥棱镜。

E.R.Peck研究了角锥棱镜的偏振特性，RLLamekin讨论了角锥棱镜的本征偏振矢量,JianLiu和R.M.A.Azzani从实验和理论上论证了角锥棱镜的偏振特性。

这些研究都是基于偏振光线追迹得到从棱镜中出射后的偏振态分布，是我们研究像面上光强分布的基础。

20世纪80年代后期，光学系统的偏振分析得到系统的理论分析和研究，主要采用光纤追迹的方法。

并涉及到了薄膜设计对偏振像差的影响。

JamesRMcGuire和RuesselA.Chipman用偏振光线追迹理论得到了偏振像差矩阵，MichaelShribak等人在实验和理论上研究了由于P、S分量通过球面和平面具有不同的透射系数和相移引起的偏振像差，并用补偿器件补偿了偏振像差。

从20世纪90年代开始至今，都致力于对偏振像差的进一步研究。

国际光学工程学会（SPIE）专门成立了偏振技术研究组。

1.3研究的主要工作

开发者在整个开发中需要进行的工作如下：

一、明确施密特棱镜特性因子B值与屋脊面反射相移差关系

二、明确施密特棱镜特性因子B值与零级衍射光强分布关系

三、根据其特性因子与光强的关系绘制光斑分裂图的程序

四、编写B值对应零级衍射光强分布矫正态计算程序——以等光强线形式输出

五、设计膜系位相差计算程序并嵌入主程序建立联系

六、设计PC机输入、输出界面：

输入对应的波长，输出屋脊面反射相移差矫正态分布图——以曲线形式输出；输出零级衍射光强矫正态分布图——以等光强线形式输出。

2反射相移差对衍射光强分布的影响

2.1特性因子对偏振像差的影响

2.1.1B因子的影响

造成施密特棱镜产生偏振像差的本质原因只有一种，那就是两条光路通过屋脊面时产生的相位差。

消除偏振像差的方法有多种，比如改变光线入射角度，改变棱镜的结构角，镀制相位膜层等等，但是对根据施密特棱镜B因子与衍射光强的关系，推导得出的B因子与屋脊面反射相移差

之间的关系，对于望远系统，消除屋脊棱镜偏振像差的最佳途径是使施密特棱镜矩阵因子B=0。

并且消除偏振像差，要求B=0需要屋脊面反射相移差

的条件。

2.1.2B因子对光强分布的影响

由波动光学中知道，偏振方位角为

的线偏振光通过施密特棱镜后的衍射光强为

其中，2a、2b为照射在屋脊面上的光斑沿x、y轴的长度，f为透镜焦距，

为入射线偏振光振动方向与x轴的夹角，

和A、B是施密特棱镜Jones

矩阵中的矩阵元。

图2.1施密特棱镜中xyz中的坐标系

自然光通过施密特棱镜的矢量衍射光强是取向

～

范围的所有线偏振光衍射光强的叠加平均值的模型。

据已经研究得知，Schmidt棱镜的偏振像差主要表现为零级衍射光斑的分裂和光斑中心的偏移。

按照这里得到的衍射光强，衍射光斑中央的光强分布主要

决定于函数

。

，则衍射光强不受影响；

，则中央光强变弱，衍射光斑表现出分裂现象。

由

时，此时中央光强的大小完全决定于B值的大小。

时，

，偏振像差随着B值的增大而增大；B=0时，

取得最大值1，偏振像差消失。

前面的分析已经表明，

值的大小与棱镜结构角

、棱镜材料折射率n以及屋脊面反射相移差

有关。

见的

为例，可得折射率n在1.4~3.0之间连续变化对应的

值曲线如图所示。

显然，在此区间的折射率值是不可能导致B=0的。

就是说，不存在通过最佳棱镜材料折射率消除偏振像差的可能。

理论计算的

时的衍射光强分布图

当

时，零级衍射光强分布不随入射线偏振光方位角的变化而改变。

因此，

是消除零级衍射光斑分裂的最佳结构条件。

在目前的大多数应用中，Schmidt棱镜的

，此时，B值的大小完全决定于

的大小。

查阅资料可知自然光的衍射光强公式是：

I=

根据上式可得垂直于屋脊的y轴方向的光强分布随B值的变化规律，如图所示。

由图可知，在B值由0逐渐增大的过程中，y轴方向的光强由1个单峰逐渐展宽，分裂成了双峰，渐变成清晰分裂的两份极大值（双像）。

因此，当B=0时，得到的是峰值光强最高，最宽最窄的单个光斑（单像）；当B≠0时，峰值光强降低，光斑宽度增加；当B>0.7之后，出现双峰，且双峰之间的间距随着B值的增大而增大；当B=1时，双缝间距达到最大，且双像现象最为明显。

Jones矩阵中的B因子是施密特棱镜的特性参数，影响且决定着光强的分布，相应的望远系统的成像质量也受到了影响。

确切的说，Jones矩阵中的B因子的大小就是施密特棱镜偏振像差的大小。

2.1.3B因子与屋脊棱镜结构特性参数的关系

由前期研究结果，施密特棱镜中的Jones矩阵中B因子的大小决定着偏振像差的大小。

校正偏振像差，需要分析B因子与棱镜结构特性参数的关系，以更好更可行的实施相应措施来校正施密特棱镜的偏振像差。

B因子与棱镜结构特性参数之间的数学关系：

光线追迹得到：

屋脊棱的结构角

和第二、三反射界面（上下屋脊面）上的反射相移差

的大小决定了B值的大小。

在大多数应用中，结构角确定不变，为

=48°或者

=45°，在望远镜系统中，棱镜的结构角是

=48°，相应的可以得出，B值的大小唯一取决于反射相移差

的大小。

实现B=0，还需要屋脊面反射相移差

=

，即|

|=π。

2.2反射相移差对衍射光强分布的影响

根据前面的分析，B值决定着偏振像差的大小，而B值唯一取决于反射相移差的大小，因此接下来要对反射相移差进行详细的分析。

明确了校正Schmidt棱镜的偏振像差要求B=0要求屋脊面反射相移差|

|=π的条件。

在保持冷静几何结构参数不变的前提下，实现给屋脊表面镀制相位膜层是实现|

|=π的技术途径。

根据薄膜光学原理，屋脊面镀制N层膜后其反射相移为：

反射相移差为：

图2.2

代入数据分别求出

，代入2.2式，就可求得理论反射相移差值。

设定入射平行光束截面是x轴方向半宽为a，y轴方向半宽为b的矩形，f为透镜焦距，a=1mm，b=1mm，

=632.8nm，f=100mm，可得到屋脊面反射相移差对自然光经过施密特棱镜衍射光强分布的影响关系曲线图。

如图，光斑的分裂是呈对称分裂的，衍射光斑分裂的程度随着反射相移差︳

︳值的减小而增大的。

由图可知，峰值光强位于x=y=0的中央位置，当︳

︳=π时，峰值光强达到最大，也变窄了。

3相位膜层对偏振像差的矫正关系

3.1金属薄膜的光学特性

镀制相位膜层校正棱镜的偏振像差，不同的膜系校正偏振相差的效果也会不一样。

膜系的材质，组成结构将直接影响偏振像差的校正效果。

金属膜层是光学薄膜器件的组成部分之一，被广泛用作反射镜，中性分束镜，偏振分束镜和窄带滤光片膜系。

在这些应用当中，金属膜层以两种不同的原理发挥着作用：

一种是以简单的块状金属替代原理，将金属膜层镀制在容易获得高光洁度基底表面，其抛光金属面的高反射作用；第二种是以干涉薄膜的原理工作。

前者膜层厚度以反射率最高为宜；后者膜层厚度影响透射率和反射率。

此间，我们镀制金属相位膜层校正偏振像差并对其校正效果进行分析。

3.2膜系的设计与分析

首先，应对相位膜层校正棱镜的偏振像差进行理论分析，设计膜系获取相关数据，从理论上观察和分析不同相位膜层的特性和各个膜系的校正偏振像差效果的区别。

当前光学薄膜膜系设计软件也有多种，我们选择TFCalc膜系设计软件，设计膜系，获得光学常数及一些参数的变化曲线。

在本次镀膜中，我主要采用三层介质膜（ZRO2-TIO2-SIO2）,来进行消除偏振像差，设定夹杂着空气介质，物理厚度为入/4，结构角是48度，而得到的TFCal的图像：

镀三层介质膜优化图

4GUI界面基本设计

4.1MATLAB在本设计中的应用

MATLAB是矩阵实验室（Matrix　Laboratory）之意。

除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。