施密特棱鏡偏振像差矯正特性分析程序設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

緒論1.1研究背景及意義1.1.1研究背景施密特棱鏡是一種光學(xué)棱鏡，廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中。對施密特棱鏡在偏振和衍射雙重效應(yīng)影響下的傳光特性的研究，得到了偏振效應(yīng)直接導(dǎo)致艾里斑中心分裂是破壞施密特棱鏡成像質(zhì)量的主要成因。同時施密特棱鏡偏振像差的矯正即為減小施密特棱鏡對系統(tǒng)成像質(zhì)量的不良影響。研究表明，影響施密特棱鏡成像質(zhì)量的因素中，除了結(jié)構(gòu)制造誤差之外，還有棱鏡的偏振效應(yīng)引起的偏振像差，是偏振效應(yīng)引起的不均勻偏振變化使得屋脊棱鏡的衍射光斑發(fā)生了分裂。本文意在探討施密特棱鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)和界面反射相移與施密特棱鏡遠(yuǎn)場衍射的關(guān)系。通過衍射積分得到出射光強的遠(yuǎn)場衍射光強分布函數(shù)，據(jù)此分析施密特棱鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)和界面反射相移對衍射光強分布的影響，明確消除或減小零級衍射光斑分裂的條件。同時為了減少乃至消除系統(tǒng)中的偏振像差，實現(xiàn)高的成像質(zhì)量，通常會在一些全反射棱鏡的表面鍍上相位膜層，通過改變屋脊棱鏡的反射相移來減少衍射光斑分裂的情況。本文是在這樣一個背景下，開展對施密特棱鏡偏振像差矯正特性更深層次的研究——施密特棱鏡偏振像差矯正關(guān)鍵因子分別與位相差和光斑分裂有關(guān)的程序設(shè)計，并且搭載MATLAB的平臺，利用GUIDE（c/c++/Pascal)和FTCal膜系設(shè)計軟件功能開發(fā)的數(shù)據(jù)輸入輸出界面，輸出衍射光強矯正態(tài)分布圖,希望研究結(jié)果為斯密特棱鏡偏振像差矯正檢測奠定基礎(chǔ)。1.1.2研究意義施密特棱鏡的偏振像差現(xiàn)象是：自然光經(jīng)過后造成雙像，線偏振光和部分偏振光經(jīng)過棱鏡后造成兩個強度不等的鬼像或像中心的偏移，任何偏振態(tài)的光波經(jīng)過施密特棱鏡后，都會因偏振像差而導(dǎo)致成像質(zhì)量的劣變。因此，對偏振像差進(jìn)行校正，分析其校正效果，對改善光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量是十分必要的。由于在采用施密特棱鏡會對系統(tǒng)產(chǎn)生一些不良影響，從而在光學(xué)層面上，國內(nèi)外許多專家以及從業(yè)學(xué)者努力尋找方法進(jìn)行偏振像差矯正，并且有一定成功的西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)研究成果。其特殊的研究意義，相繼開展了有關(guān)軟件方面的開發(fā)，并且搭載相關(guān)軟件使問題更能輕松完成，現(xiàn)象更直觀。1.2國內(nèi)外相關(guān)研究狀況國內(nèi)從19世紀(jì)80年代開始著手研究器件的偏振效應(yīng)，特別廣泛的還是對角錐棱鏡的研究。對于偏振像差的研究,已經(jīng)確定了光線追跡法和偏振像差函數(shù)法來研究偏振像差,國內(nèi)北京航天航空大學(xué)研究了減少偏振像差的方法，就是使用鍛膜的方式減小偏振像差。浙江大學(xué)幾位學(xué)者對薄膜的偏振像差進(jìn)行了研究，他們將減小入射角度的透射率差和位相差作為膜系的優(yōu)化附加條件從而提出了減小薄膜誘導(dǎo)偏振像差的膜系優(yōu)化設(shè)計方法。西安工業(yè)大學(xué)在別漢棱鏡偏振像差研究明確了別漢棱鏡偏振像差的現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，及其與棱鏡結(jié)構(gòu)特性參數(shù)的關(guān)系。在大數(shù)值孔徑和光刻光學(xué)系統(tǒng)中，針對偏振像差的分析大多采用泡利澤尼克多項式展開，而校正則采用類似于傳統(tǒng)像差校正的方法，或者直接采取線偏振光照明的措施。國外關(guān)于偏振像差的研究從20世紀(jì)50年代開始，剛開始也只是簡單地討論和分析了儀器偏振對某些具體的光學(xué)系統(tǒng)的影響，Inoue和Hyde細(xì)致的分析了干涉顯微鏡中的儀器偏振效應(yīng)。他們設(shè)計了一種儀器補償器來減少高速顯微鏡引起的線性偏振效應(yīng)。國外討論偏振效應(yīng)最多的器件應(yīng)該是角錐棱鏡。E.R.Peck研究了角錐棱鏡的偏振特性，RLLamekin討論了角錐棱鏡的本征偏振矢量,JianLiu和R.M.A.Azzani從實驗和理論上論證了角錐棱鏡的偏振特性。這些研究都是基于偏振光線追跡得到從棱鏡中出射后的偏振態(tài)分布，是我們研究像面上光強分布的基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代后期，光學(xué)系統(tǒng)的偏振分析得到系統(tǒng)的理論分析和研究，主要采用光纖追跡的方法。并涉及到了薄膜設(shè)計對偏振像差的影響。JamesRMcGuire和RuesselA.Chipman用偏振光線追跡理論得到了偏振像差矩陣，MichaelShribak等人在實驗和理論上研究了由于P、S分量通過球面和平面具有不同的透射系數(shù)和相移引起的偏振像差，并用補償器件補償了偏振像差。從20世紀(jì)90年代開始至今，都致力于對偏振像差的進(jìn)一步研究。國際光學(xué)工程學(xué)會(SPIE)專門成立了偏振技術(shù)研究組。1.3研究的主要工作開發(fā)者在整個開發(fā)中需要進(jìn)行的工作如下：一、明確施密特棱鏡特性因子B值與屋脊面反射相移差關(guān)系二、明確施密特棱鏡特性因子B值與零級衍射光強分布關(guān)系三、根據(jù)其特性因子與光強的關(guān)系繪制光斑分裂圖的程序四、編寫B(tài)值對應(yīng)零級衍射光強分布矯正態(tài)計算程序——以等光強線形式輸出五、設(shè)計膜系位相差計算程序并嵌入主程序建立聯(lián)系六、設(shè)計PC機輸入、輸出界面：輸入對應(yīng)的波長，輸出屋脊面反射相移差矯正態(tài)分布圖——以曲線形式輸出；輸出零級衍射光強矯正態(tài)分布圖——以等光強線形式輸出。2反射相移差對衍射光強分布的影響2反射相移差對衍射光強分布的影響2.1特性因子對偏振像差的影響2.1.1B因子的影響造成施密特棱鏡產(chǎn)生偏振像差的本質(zhì)原因只有一種，那就是兩條光路通過屋脊面時產(chǎn)生的相位差。消除偏振像差的方法有多種，比如改變光線入射角度，改變棱鏡的結(jié)構(gòu)角，鍍制相位膜層等等，但是對根據(jù)施密特棱鏡B因子與衍射光強的關(guān)系，推導(dǎo)得出的B因子與屋脊面反射相移差之間的關(guān)系，對于望遠(yuǎn)系統(tǒng)，消除屋脊棱鏡偏振像差的最佳途徑是使施密特棱鏡矩陣因子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條件。2.1.2B因子對光強分布的影響由波動光學(xué)中知道，偏振方位角為的線偏振光通過施密特棱鏡后的衍射光強為其中，2a、2b為照射在屋脊面上的光斑沿x、y軸的長度，f為透鏡焦距，為入射線偏振光振動方向與x軸的夾角，和A、B是施密特棱鏡Jones矩陣中的矩陣元。圖2.1施密特棱鏡中xyz中的坐標(biāo)系自然光通過施密特棱鏡的矢量衍射光強是取向～范圍的所有線偏振光衍射光強的疊加平均值的模型。據(jù)已經(jīng)研究得知，Schmidt棱鏡的偏振像差主要表現(xiàn)為零級衍射光斑的分裂和光斑中心的偏移。按照這里得到的衍射光強，衍射光斑中央的光強分布主要西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）決定于函數(shù)。，則衍射光強不受影響；，則中央光強變?nèi)酰苌涔獍弑憩F(xiàn)出分裂現(xiàn)象。由時，此時中央光強的大小完全決定于B值的大小。時，，偏振像差隨著B值的增大而增大；B=0時，取得最大值1，偏振像差消失。前面的分析已經(jīng)表明，值的大小與棱鏡結(jié)構(gòu)角、棱鏡材料折射率n以及屋脊面反射相移差有關(guān)。見的為例，可得折射率n在1.4~3.0之間連續(xù)變化對應(yīng)的值曲線如圖所示。顯然，在此區(qū)間的折射率值是不可能導(dǎo)致B=0的。就是說，不存在通過最佳棱鏡材料折射率消除偏振像差的可能。理論計算的時的衍射光強分布圖當(dāng)時，零級衍射光強分布不隨入射線偏振光方位角的變化而改變。因此，是消除零級衍射光斑分裂的最佳結(jié)構(gòu)條件。在目前的大多數(shù)應(yīng)用中，Schmidt棱鏡的，此時，B值的大小完全決定于的大小。查閱資料可知自然光的衍射光強公式是：I=根據(jù)上式可得垂直于屋脊的y軸方向的光強分布隨B值的變化規(guī)律，如圖所示。由圖可知，在B值由0逐漸增大的過程中，y軸方向的光強由1個單峰逐漸展寬，分裂成了雙峰，漸變成清晰分裂的兩份極大值（雙像）。因此，當(dāng)B=0時，得到的是峰值光強最高，最寬最窄的單個光斑（單像）；當(dāng)B≠0時，峰值光強降低，光斑寬度增加；當(dāng)B>0.7之后，出現(xiàn)雙峰，且雙峰之間的間距隨著B值的增大而增大；當(dāng)B=1時，雙縫間距達(dá)到最大，且雙像現(xiàn)象最為明顯。Jones矩陣中的B因子是施密特棱鏡的特性參數(shù)，影響且決定著光強的分布，相應(yīng)的望遠(yuǎn)系統(tǒng)的成像質(zhì)量也受到了影響。確切的說，Jones矩陣中的B因子的大小就是施密特棱鏡偏振像差的大小。2.1.3B因子與屋脊棱鏡結(jié)構(gòu)特性參數(shù)的關(guān)系由前期研究結(jié)果，施密特棱鏡中的Jones矩陣中B因子的大小決定著偏振像差的大小。校正偏振像差，需要分析B因子與棱鏡結(jié)構(gòu)特性參數(shù)的關(guān)系，以更好更可行的實施相應(yīng)措施來校正施密特棱鏡的偏振像差。B因子與棱鏡結(jié)構(gòu)特性參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系：光線追跡得到：屋脊棱的結(jié)構(gòu)角和第二、三反射界面（上下屋脊面）上的反射相移差的大小決定了B值的大小。在大多數(shù)應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)角確定不變，為=48°或者=45°，在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中，棱鏡的結(jié)構(gòu)角是=48°，相應(yīng)的可以得出，B值的大小唯一取決于反射相移差的大小。實現(xiàn)B=0，還需要屋脊面反射相移差=，即||=π。2.2反射相移差對衍射光強分布的影響根據(jù)前面的分析，B值決定著偏振像差的大小，而B值唯一取決于反射相移差的大小，因此接下來要對反射相移差進(jìn)行詳細(xì)的分析。明確了校正Schmidt棱鏡的偏振像差要求B=0要求屋脊面反射相移差||=π的條件。在保持冷靜幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下，實現(xiàn)給屋脊表面鍍制相位膜層是實現(xiàn)||=π的技術(shù)途徑。根據(jù)薄膜光學(xué)原理，屋脊面鍍制N層膜后其反射相移為：反射相移差為： 圖2.2代入數(shù)據(jù)分別求出，代入2.2式，就可求得理論反射相移差值。設(shè)定入射平行光束截面是x軸方向半寬為a，y軸方向半寬為b的矩形，f為透鏡焦距，a=1mm，b=1mm，=632.8nm，f=100mm，可得到屋脊面反射相移差對自然光經(jīng)過施密特棱鏡衍射光強分布的影響關(guān)系曲線圖。如圖，光斑的分裂是呈對稱分裂的，衍射光斑分裂的程度隨著反射相移差︳︳值的減小而增大的。由圖可知，峰值光強位于x=y=0的中央位置，當(dāng)︳︳=π時，峰值光強達(dá)到最大，也變窄了。3相位膜層對偏振像差的矯正關(guān)系3相位膜層對偏振像差的矯正關(guān)系3.1金屬薄膜的光學(xué)特性鍍制相位膜層校正棱鏡的偏振像差，不同的膜系校正偏振相差的效果也會不一樣。膜系的材質(zhì)，組成結(jié)構(gòu)將直接影響偏振像差的校正效果。金屬膜層是光學(xué)薄膜器件的組成部分之一，被廣泛用作反射鏡，中性分束鏡，偏振分束鏡和窄帶濾光片膜系。在這些應(yīng)用當(dāng)中，金屬膜層以兩種不同的原理發(fā)揮著作用：一種是以簡單的塊狀金屬替代原理，將金屬膜層鍍制在容易獲得高光潔度基底表面，其拋光金屬面的高反射作用；第二種是以干涉薄膜的原理工作。前者膜層厚度以反射率最高為宜；后者膜層厚度影響透射率和反射率。此間，我們鍍制金屬相位膜層校正偏振像差并對其校正效果進(jìn)行分析。3.2膜系的設(shè)計與分析首先，應(yīng)對相位膜層校正棱鏡的偏振像差進(jìn)行理論分析，設(shè)計膜系獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，從理論上觀察和分析不同相位膜層的特性和各個膜系的校正偏振像差效果的區(qū)別。當(dāng)前光學(xué)薄膜膜系設(shè)計軟件也有多種，我們選擇TFCalc膜系設(shè)計軟件，設(shè)計膜系，獲得光學(xué)常數(shù)及一些參數(shù)的變化曲線。在本次鍍膜中，我主要采用三層介質(zhì)膜（ZRO2-TIO2-SIO2),來進(jìn)行消除偏振像差，設(shè)定夾雜著空氣介質(zhì)，物理厚度為入/4，結(jié)構(gòu)角是48度，而得到的TFCal的圖像：鍍?nèi)龑咏橘|(zhì)膜優(yōu)化圖4GUI界面基本設(shè)計4GUI界面基本設(shè)計4.1MATLAB在本設(shè)計中的應(yīng)用MATLAB是矩陣實驗室（MatrixLaboratory）之意。除具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué),工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C,FORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多。MATLAB擁有數(shù)百個內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號計算，可視化建模仿真，文字處理及實時控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強的工具包，控制工具包，信號處理工具包，通信工具包等都屬于此類。開放性使MATLAB廣受用戶歡迎。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包。在70年代中期，CleveMoler博士和其同事在美國國家科學(xué)基金的資助下開發(fā)了調(diào)用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫。EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序庫,LINPACK是解線性方程的程序庫。在當(dāng)時,這兩個程序庫代表矩陣運算的最高水平。到70年代后期，身為美國NewMexico大學(xué)計算機系系主任的CleveMoler，在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時，想教學(xué)生使用EISPACK和LINPACK程序庫，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用FORTRAN編寫接口程序很費時間，于是他開始自己動手，利用業(yè)余時間為學(xué)生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。CleveMoler給這個接口程序取名為MATLAB，該名為矩陣(matrix)和實驗室(labotatory)兩個英文單詞的前三個字母的組合。在以后的數(shù)年里，MATLAB在多所大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費軟件廣為流傳。1983年春天，CleveMoler到Standford大學(xué)講學(xué)，MATLAB深深地吸引了工程師JohnLittle.JohnLittle敏銳地覺察到MATLAB在工程領(lǐng)域的廣闊前景。同年，他和CleveMoler,SteveBangert一起，用C語言開發(fā)了第二代專業(yè)版。這一代的MATLAB語言同時具備了數(shù)值計算和數(shù)據(jù)圖示化的功能。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)1984年，CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市場，并繼續(xù)進(jìn)行MATLAB的研究和開發(fā)。在當(dāng)今30多個數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中，就軟件數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核而言，可分為兩大類。一類是數(shù)值計算型軟件，如MATLAB,Xmath,Gauss等，這類軟件長于數(shù)值計算，對處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類是數(shù)學(xué)分析型軟件，Mathematica,Maple等，這類軟件以符號計算見長，能給出解析解和任意精確解，其缺點是處理大量數(shù)據(jù)時效率較低.MathWorks公司順應(yīng)多功能需求之潮流，在其卓越數(shù)值計算和圖示能力的基礎(chǔ)上，又率先在專業(yè)水平上開拓了其符號計算，文字處理，可視化建模和實時控制能力，開發(fā)了適合多學(xué)科，多部門要求的新一代科技應(yīng)用軟件MATLAB.經(jīng)過多年的國際競爭，MATLAB以經(jīng)占據(jù)了數(shù)值軟件市場的主導(dǎo)地位。4.2GUI界面4.2.1圖形用戶界面的打開和初步設(shè)計在Matlab命令運行g(shù)uide命令打開圖形用戶啟動界面GUIDEQuickStart圖4.2.1對話框，選擇BlankGUI(Default)，單擊“OK”按鈕，新建一個圖形用戶界面設(shè)計界面，如圖4.2.1所示。根據(jù)本實驗的具體要求和圖形用戶界面的設(shè)計原則，將主界面命名，雙擊控件可引出圖形窗和相應(yīng)控件的屬性編輯框“PropertyInspector”，設(shè)置其屬性，字體大小可設(shè)置為16號，另外在工作區(qū)放置兩個“PushButton”按鈕，分別雙擊這兩個控件可引出圖形窗和相應(yīng)控件的屬編輯框“PropertyInspector”，在String一欄中修改各個控件的名稱分別為進(jìn)入和關(guān)閉，字體大小可設(shè)置為16號。主界面和屬編輯框“PropertyInspector”。4.2.2主界面的激活和回調(diào)函數(shù)的生成經(jīng)以上操作后，工作臺上所制作的界面外形及所含構(gòu)件已經(jīng)符合設(shè)計要求，但這個界面各構(gòu)件之間的通訊還沒有建立，為此必須激活處理。激活方式為：選中其中的一個控件，如“眼圖”控件，右擊控件選擇“ViewCallback”中的“callback”可出現(xiàn)一個可以(待填寫回調(diào)指令的)M函數(shù)文件的文件編輯器界面，在待填寫回調(diào)指令處填寫語句figure(yantu)，其余控件依此類推分別在指令處填寫figure(digital)，figure(digital_receive)，figure(mjcr)，figure(raise)，figure(partrespond)其中digital，digital_receive，mjcr，raise，yantu，partrespond為顯示數(shù)字基帶傳輸過程中各過程波形的圖形用戶界面，這樣就和其他的子界面之間建立了通信，回調(diào)函數(shù)如下填寫：functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletopushbutton1(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)figure(digital)回調(diào)函數(shù)編寫完成后，點擊保存按鈕進(jìn)行保存，點擊工作臺上的“ActivateFigure”工具圖標(biāo)，便可以看到鏈接關(guān)系，如圖4.2.2示。圖4.2.2上面我們已經(jīng)編寫完了回調(diào)函數(shù)，只需點擊各個按鈕，將出現(xiàn)如圖4.3示的圖形。圖4.3在自然光情況下的(位相差為2npi.2Npi/2,λ=632nm)零級衍射光強分布圖圖4.4在自然光情況下的（位相差為2npi.2Npi/2,λ=550nm)零級衍射光強分布圖圖4.5在偏振光情況下的(位相差為2pi/4,λ=632nm和550nm)零級衍射光強分布圖在不同光強和波長的情況下，光強和光斑分裂情況是不同的。線偏振光經(jīng)過施密特棱鏡的遠(yuǎn)場衍射光強分布與B和Δ1有關(guān)，但是零級光斑的中央光強卻只與B的大小有關(guān)。決定施密特棱鏡衍射光斑分裂的唯一核心要素是其Jones矩陣中的一個因子B，明確了B=0是零級光斑中央光強取得極大值、衍射光斑分裂現(xiàn)象消失的最佳條件。得到了消除棱鏡衍射光斑分裂的兩個途徑和，為屋脊棱鏡偏振像差的矯正奠定了明確的理論基礎(chǔ)。對于最常見的K9玻璃制造的頂角為的Schmidt棱鏡，依據(jù)文獻(xiàn)可以計算得到B=0.82，為固定值由棱鏡的結(jié)構(gòu)決定，且。f為透鏡焦距，a=b=1mm，=632.8nm，f=100mm。通過用matlab對上式自然光的光強表達(dá)式進(jìn)行編程，可以得到此表達(dá)式的光強分布圖(忽略x方向)為：理論光強分布圖通過對時的光強表達(dá)式圖形的分析，可以看出它的光強有兩個極大值，因此理論上光斑將發(fā)生分裂，因而會產(chǎn)生偏振像差。對于最常見的K9玻璃制造的頂角為的Schmidt棱鏡，依據(jù)文獻(xiàn)可以計算得到B=0.84，為固定值由棱鏡的結(jié)構(gòu)決定，且。f為透鏡焦距，a=b=1mm，=632.8nm，f=100mm。通過計算可以得出，代入自然光的光強表達(dá)式公式將得到光強分布圖(忽略x方向)為：理論光強分布圖通過對時的光強表達(dá)式圖形的分析，可以看出它的光強只有一個最大值，因此理論上光斑不發(fā)生分裂，因而就沒有偏振像差。5TFCal膜系設(shè)計軟件分析5TFCal膜系設(shè)計軟件分析5.1TFCal軟件對數(shù)據(jù)的采集處理TFCal膜系設(shè)計軟件是一個光學(xué)薄膜設(shè)計和分析的通用工具，它允許活動材料-材料的折射率隨著外部影響而改變。TFCal是一款具有多種強大功能的軟件，對于膜層：基層的兩側(cè)可以達(dá)到5000層，膜層可以手動的添加，也可以使用堆疊公式自動創(chuàng)建，可以具有可變的折射率，膜層可以使兩種材料的混合體，膜層的厚度可以用物理的或波長的四分之一作為厚度輸入值，膜層可以根據(jù)角度值做調(diào)整，一個膜層可以被等效膜層的（HLH）或者（LHL）的堆疊所代替等等。TFCal可以分析計算反射、穿透、吸收、光學(xué)密度、損耗、相位改變、組延遲、電場強度，計算反射或穿透顏色，計算連續(xù)膜層的等價折射率，計算反射、穿透、吸收、密度和用戶自定義的損耗平均錐角，還可以對膜系進(jìn)行優(yōu)化。它的結(jié)果可以用數(shù)字和圖片的方式顯示，所有的表格和圖片都可以打印，結(jié)果還可以保存到文件中，讓其他時需使用。對于光學(xué)數(shù)據(jù)：材料、基質(zhì)、光源、探測器和輻射文件的數(shù)值沒有限制，折射率可以用表格或散射公式的形式輸入，對于基質(zhì)，內(nèi)部穿透率可以讀出，使用填寫功能（interpolation）可以增加丟失的N或K數(shù)值等。精確而快速，也挺容易編輯和重新計算。此次設(shè)計膜系需要設(shè)計不同的膜層，不同的介質(zhì)、材料，入射角確定了，光波段需要在可見光范圍內(nèi)，因此使用了TFCal膜系設(shè)計軟件。制AL膜：（a）反射率R(l)西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)(b)反射率數(shù)據(jù)(c)反射相移差(d)反射相移差數(shù)據(jù)鍍制MHL(ZrO2-TiO2-SiO2)膜(a)反射率R(l)(b)反射相移差（C)不同膜系的特性參數(shù)曲線及數(shù)據(jù)以上用TFCal膜系設(shè)計軟件的到了各個膜系的反射率和s分量，p分量隨波長變化的曲線以及反射相移差隨波長變化的曲線圖?？煽闯鯝L膜層的反射率隨著波長的增加而降低較快，其膜層的反射相移差比較大，且隨著波長的增加變化不大。三層膜MHL的反射率為百分之百，不隨波長變化而變化，其反射相移差的變化范圍為178.59°～182.4°，接近于180°。5.2Origin軟件的運用以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算Origin為美國OriginLab公司推出的圖形可視化和數(shù)據(jù)分析軟件，是大家公認(rèn)的簡單易學(xué)、操作靈活、功能強大的軟件，是工程師們和科研人員較為常用的高級數(shù)據(jù)分析和制圖工具，其操作簡單，功能開放，不僅可以滿足一般用戶的工程制圖需要，而且可以滿足高級用戶的數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要。Origin具有兩大類主要功能：數(shù)據(jù)分析和科學(xué)繪圖。此次主要用到繪圖功能來進(jìn)行︱B︱值比較(a)∣B(l)∣(b)∣B(l)∣圖5.2.1各膜系︱B︱值隨波長的變化從圖5.2.1可以看出，在450nm到700nm波段之間，單層AL膜的∣B∣值的范圍為0.0676～0.0794，三層介質(zhì)MHL膜的∣B∣變化范圍為0.0002～0.0475.給Schmidt棱鏡的屋脊面鍍制單層膜，總是有效的。但是一般優(yōu)化得到的單層膜厚度比較薄，不夠牢固，太薄的膜層，實際上很難實現(xiàn)。對于與大多數(shù)的應(yīng)用，有必要在施密特棱鏡屋脊面上鍍制技能在寬波段提供||=π，且保證百分之百全反射的多層全介質(zhì)相位調(diào)制膜系。可知，消除自然光光斑的分裂，使零級衍射中央光強為極大值的條件是B=0。AL隨波長的變化反射率降低比較快，三層膜的效果要更好一些。根據(jù)理論分析可知，不同樣品的屋脊棱鏡在不同波長影響下的B值是不近相同的，裸棱鏡的B值最大，而鍍膜之后的棱鏡的值會相對與裸棱鏡有明顯的減小，運用三層膜MHL后，其B值更小，在0.0002～0.0475之間浮動，更接近于0。因此，B=0是校正Schmidt棱鏡自然光入射偏振像差的有效技術(shù)途徑。根據(jù)衍射光強分布表達(dá)式的分析建立過程中瓊斯矩陣B因子與屋脊面反射相移差、之間的關(guān)系，得到B因子與屋脊面反射相移差|-|之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，明確了當(dāng)屋脊面反射相移差||=π時，對應(yīng)B=0，偏振像差完全消除。根據(jù)實驗后計算得到B值，裸棱鏡的偏振像差明顯，B值都比較大，大于0.7；鍍制單層膜的棱鏡的偏振像差得到了校正，圖像趨于一個圓光斑，B值接近于0.3；對于鍍制三層介質(zhì)膜的棱鏡，圖像為一個圓光斑，B值在0～0.2范圍內(nèi)。裸棱鏡的像面變形度最大，達(dá)到90%以上；單層銀膜有校正效果，像面變形度為20%左右，三層介質(zhì)MHL膜校正效果更好，像面變形度為3%左右。Schmidt棱鏡的偏振像差的校正途徑，就是為其屋脊面設(shè)計可以在需要的波段提供反射相移差||=π的相位調(diào)制膜系。運用膜系設(shè)計軟件設(shè)計的不同結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制膜系，對其進(jìn)行反射相移特性理論分析和實驗后，對自然光經(jīng)過Schmidt棱鏡偏振像差的校正，單層金屬相位膜層矯正效果雖不夠理想，但還是經(jīng)濟(jì)有效的，三層介質(zhì)MHL膜層在Schmidt棱鏡在可見光波段入射光偏振像差校正的光斑近乎理想。5.3程序流程圖Matlab編程，分析Jones矩陣B因子對棱鏡衍射光強的影響，B因子與棱鏡結(jié)構(gòu)特性參數(shù)的關(guān)系。再者，使用TFCal膜系設(shè)計軟件設(shè)計不同的膜系，分析反射相移差與不同相位膜層、不同波長之間的對應(yīng)變化關(guān)系，實驗驗證相位膜層校正效果，分析相位膜層校正效果，總結(jié)相位膜層校正偏振像差的效果。總程序流程圖介質(zhì)膜驗證流程圖相位膜嵌入流程圖6結(jié)論6結(jié)論本軟件是在MATLAB的平臺上，利用GUIDE功能開發(fā)的數(shù)據(jù)輸入輸出界面。主要功能有：輸入特定位相差及其對應(yīng)參數(shù)，輸出屋脊面矯正態(tài)反射相移差——以曲線形式輸出；輸入特定位相差及其對應(yīng)波長和其他參數(shù)，輸出零級衍射光強矯正態(tài)分布圖——以等光強線形式輸出。著重研究了斯密特棱鏡Jones矩陣元對偏振像差的影響，斯密特棱鏡偏振像差的Jones矩陣檢測方法，施密特棱鏡零級衍射光斑分裂機理，MATLAB中GUI基本設(shè)計以及TFCal膜系設(shè)計軟件的使用。消除自然光光斑的分裂，使零級衍射中央光強為極大值的條件是B=0。AL隨波長的變化反射率降低比較快，而三層膜的效果要更好一些。同時，我對MATLAB有了更深刻的認(rèn)識，能夠更熟練的使用它的組件，熟悉了GUI制作界面，并利用它展示數(shù)據(jù)和圖像。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]盧進(jìn)軍,孫雪平,李向陽.偏振和衍射雙重效應(yīng)影響的Schmidt棱鏡特性[J].光子學(xué)報,2012Vol.41

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949-955[2]周遠(yuǎn)，李艷秋，劉光燦.超大數(shù)值孔徑光刻中掩模保護(hù)膜優(yōu)化及偏振像差研究[J].中國激光,2011Vol.38(4):0407001-1-0407001-6[3]潘寶珠,程灝波,文永富等.基于波像差函數(shù)建立大口徑施密特校正板方程[J].光學(xué)學(xué)報,2012,Vol.32(2):0222001-1-0222001-5[4]LIUJ,AZZAMRMA.Polarizationpropertiesofcorner-cuberetroreflectors:theoryandexperiment[J].AppliedOptics,1997,36(7):1553-1559.[5]聶輝,翁興濤,李松.角錐棱鏡的遠(yuǎn)場衍射特性[J].光學(xué)學(xué)報,2003,23(12):1470-1474[6]竺慶春,等.矩陣光學(xué)導(dǎo)論[M].上?？萍嘉墨I(xiàn)出版社,1991：208-217[7]LUJinjun,YUANQiao,SUNXueping,etal.Researchofthepolarizationaberrationonsmithprism[J].PhysicsProcedia,2011,19:447-455.[8]久保田廣.波動光學(xué)[M].劉瑞祥，譯.北京：科學(xué)出版社，1983:315-353.[9]王朋朋，李小娟，江曼，等.基于雙棱鏡的全息照相實驗方法改進(jìn)[J].吉首大學(xué)學(xué)報，2009,30(4):55-57.[10]孫淑靜.用雙棱鏡測波長方法研究[J].大學(xué)物理實驗,2009,22(3):20-22.[11]宮杰，吳凡.斯密特屋脊棱鏡的角度誤差分析及加工工藝方法[J]，光電工程,1992,19(3);47-51[12]毛文煒.反射棱鏡的制造誤差與調(diào)整[J].清華大學(xué)學(xué)報，1996,36(10):73-79.[13]黃健，鮮浩，姜文漢，等.角錐棱鏡的誤差引起的反射光束的相位誤差分析[J].光學(xué)學(xué)報，2009,29(7):1951-1955.[14]HolwillJ,NeureutherAR.DRCandMaskfriendlypatternandprobeaberrationmonitors,designformanufaeturabilitythroughdesign-processintegration[C].inProeeedingofSPIE,2007,6521:65211U[15]張穎,李林,黃一帆.光學(xué)系統(tǒng)的偏振像差分析[J].光學(xué)技術(shù)，2005,31(2)：202-206致謝致謝首先感謝我的導(dǎo)師盧進(jìn)軍教授無微不至的關(guān)心和悉心教導(dǎo)。盧老師追求真理、獻(xiàn)身科學(xué)、嚴(yán)于律己、寬以待人，無私奉獻(xiàn)，這種崇高品質(zhì)將是學(xué)生永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)和追求的精神榜樣。從我論文的選題、資料的收集、論文框架的確定到課題完成撰寫論文的過程中，盧老師的細(xì)心關(guān)注著大家的每一步，并進(jìn)行耐心的指導(dǎo)。導(dǎo)師在繁忙的工作中，還不忘關(guān)心我。在論文完成的過程中，盧老師在具體的指導(dǎo)和把握研究的方向給了我許多幫助。盧老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實的態(tài)度使我深受感動，從他那里我不僅學(xué)到了知識，還學(xué)到了為人處世的道理，他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，不斷進(jìn)取的科研精神將使我受益無窮。在此，我向盧老師致以深深的敬意和最由衷的感謝。再者，我還要感謝在這四年中給予我諸多教誨和幫助的各位老師，感謝他們四年來的辛勤栽培，是他們傳授給我諸多的專業(yè)知識，并指導(dǎo)我如何運用，并在畢業(yè)設(shè)計中得以體現(xiàn)，順利完成畢業(yè)論文。最后，我還要特別感謝同組的各位同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，你們給了我很多的啟發(fā)和幫助，提出了很多寶貴的意見和建議，對于你們的幫助和支持，在此表示深深地感謝！畢業(yè)設(shè)計(論文)知識產(chǎn)權(quán)聲明畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明本人完全了解西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院有關(guān)保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：本科學(xué)生在校攻讀學(xué)士學(xué)位期間畢業(yè)設(shè)計（論文）工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院。本人保證畢業(yè)離校后，使用畢業(yè)設(shè)計（論文）工作成果或用畢業(yè)設(shè)計（論文）工作成果發(fā)表論文時署名單位仍然為西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院。學(xué)校有權(quán)保留送交的畢業(yè)設(shè)計（論文）的原文或復(fù)印件，允許畢業(yè)設(shè)計（論文）被查閱和借閱；學(xué)校可以公布畢業(yè)設(shè)計（論文）的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計（論文）。（保密的畢業(yè)設(shè)計（論文）在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）畢業(yè)設(shè)計（論文）作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明畢業(yè)設(shè)計HYPERLINK\l"_Toc199171480"（論文）獨創(chuàng)性聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果，不包含他人已申請學(xué)位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了致謝。畢業(yè)設(shè)計（論文）與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。畢業(yè)設(shè)計（論文）作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：附錄附錄附錄GUI設(shè)計程序functionvarargout=diergechengxu(varargin)clearallclca=48*pi/180;B=0.82;A=sqrt(1-B^2);b=1;f=100;k=2*pi/(632.8*10^-6);detal2=atan((sqrt(2)/2*sin(3/2*a)*sqrt(1-0.5*sin(3/2*a)^2-1/1.5^2))/(1-0.5*sin(3/2*a)^2));detal1=atan(cos(a)*sqrt(sin(a)^2-1/1.5^2)/sin(a)^2);detal=angle(exp(2*1i*detal1)*(sin(3/2*a)^2/(1+cos(3/2*a)^2)*(2*(cos(3/2*a)/sqrt(1+cos(3/2*a)^2))^2-1)*cos(2*detal2)-4*cos(3/2*a)/(1+cos(3/2*a)^2)*(-1/sqrt(1+cos(3/2*a)^2))*(cos(3/2*a)/sqrt(1+cos(3/2*a)^2))+1i*sin(3/2*a)^2/(1+cos(3/2*a)^2)*sin(2*detal2)));fory=-0.0015:0.000001:0.0015I=(sin(k*y*b/2)/(k*y*b/2))^2*((A^4+B^4-2*A^2*B^2*cos(2*detal))*cos(k*y*b/2)+4*A^2*B^2*cos(detal)^2*sin(k*y*b/2)^2);plot(y,abs(I));holdonendgui_Singleton=1;gui_State=struct('gui_Name',mfilename,...'gui_Singleton',gui_Singleton,...'gui_OpeningFcn',@diergechengxu_OpeningFcn,...'gui_OutputFcn',@diergechengxu_OutputFcn,...'gui_LayoutFcn',[],...'gui_Callback',[]);ifnargin&&ischar(varargin{1})gui_State.gui_Callback=str2func(varargin{1});end西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)ifnargout[varargout{1:nargout}]=gui_mainfcn(gui_State,varargin{:});elsegui_mainfcn(gui_State,varargin{:});endfunctiondiergechengxu_OpeningFcn(hObject,eventdata,handles,varargin)handles.output=hObject;guidata(hObject,handles);functionvarargout=diergechengxu_OutputFcn(hObject,eventdata,handles)varargout{1}=handles.output;functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)I1=str2double(get(handles.f1_input,'String'));I2=str2double(get(handles.f2_input,'String'));b=sqrt(I2)/sqrt(I1+I2);set(handles.f3_input,'String',b)functionf3_input_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispcset(hObject,'BackgroundColor','white');elseset(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));endfunctionf1_input_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispcset(hObject,'BackgroundColor','white');elseset(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));endfunctionf2_input_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispcset(hObject,'BackgroundColor','white');elseset(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));endfun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