施密特棱鏡偏振像差矯正特性分析程序設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

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(duì)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(shí)施密特棱鏡偏振像差的矯正即為減小施密特棱鏡對(duì)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(chǎng)衍射的關(guān)系。通過(guò)衍射積分得到出射光強(qiáng)的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光強(qiáng)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(duì)衍射光強(qiáng)分布的影響，明確消除或減小零級(jí)衍射光斑分裂的條件。同時(shí)為了減少乃至消除系統(tǒng)中的偏振像差，實(shí)現(xiàn)高的成像質(zhì)量，通常會(huì)在一些全反射棱鏡的表面鍍上相位膜層，通過(guò)改變屋脊棱鏡的反射相移來(lái)減少衍射光斑分裂的情況。本文是在這樣一個(gè)背景下，開(kāi)展對(duì)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(jì)，并且搭載MATLAB的平臺(tái)，利用GUIDE（c/c++/Pascal)和FTCal膜系設(shè)計(jì)軟件功能開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)輸入輸出界面，輸出衍射光強(qiáng)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(cè)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(guò)后造成雙像，線(xiàn)偏振光和部分偏振光經(jīng)過(guò)棱鏡后造成兩個(gè)強(qiáng)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(guò)施密特棱鏡后，都會(huì)因偏振像差而導(dǎo)致成像質(zhì)量的劣變。因此，對(duì)偏振像差進(jìn)行校正，分析其校正效果，對(duì)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(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一些不良影響，從而在光學(xué)層面上，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)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(jì)(論文)研究成果。其特殊的研究意義，相繼開(kāi)展了有關(guān)軟件方面的開(kāi)發(fā)，并且搭載相關(guān)軟件使問(wèn)題更能輕松完成，現(xiàn)象更直觀。1.2國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究狀況國(guó)內(nèi)從19世紀(jì)80年代開(kāi)始著手研究器件的偏振效應(yīng)，特別廣泛的還是對(duì)角錐棱鏡的研究。對(duì)于偏振像差的研究,已經(jīng)確定了光線(xiàn)追跡法和偏振像差函數(shù)法來(lái)研究偏振像差,國(guó)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(duì)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(jì)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(duì)偏振像差的分析大多采用泡利澤尼克多項(xiàng)式展開(kāi)，而校正則采用類(lèi)似于傳統(tǒng)像差校正的方法，或者直接采取線(xiàn)偏振光照明的措施。國(guó)外關(guān)于偏振像差的研究從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，剛開(kāi)始也只是簡(jiǎn)單地討論和分析了儀器偏振對(duì)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?cè)O(shè)計(jì)了一種儀器補(bǔ)償器來(lái)減少高速顯微鏡引起的線(xiàn)性偏振效應(yīng)。國(guó)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(qiáng)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(jì)對(duì)偏振像差的影響。JamesRMcGuire和RuesselA.Chipman用偏振光線(xiàn)追跡理論得到了偏振像差矩陣，MichaelShribak等人在實(shí)驗(yàn)和理論上研究了由于P、S分量通過(guò)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(bǔ)償器件補(bǔ)償了偏振像差。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始至今，都致力于對(duì)偏振像差的進(jìn)一步研究。國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)(SPIE)專(zhuān)門(mén)成立了偏振技術(shù)研究組。1.3研究的主要工作開(kāi)發(fā)者在整個(gè)開(kāi)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(jí)衍射光強(qiáng)分布關(guān)系三、根據(jù)其特性因子與光強(qiáng)的關(guān)系繪制光斑分裂圖的程序四、編寫(xiě)B(tài)值對(duì)應(yīng)零級(jí)衍射光強(qiáng)分布矯正態(tài)計(jì)算程序——以等光強(qiáng)線(xiàn)形式輸出五、設(shè)計(jì)膜系位相差計(jì)算程序并嵌入主程序建立聯(lián)系六、設(shè)計(jì)PC機(jī)輸入、輸出界面：輸入對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，輸出屋脊面反射相移差矯正態(tài)分布圖——以曲線(xiàn)形式輸出；輸出零級(jí)衍射光強(qiáng)矯正態(tài)分布圖——以等光強(qiáng)線(xiàn)形式輸出。2反射相移差對(duì)衍射光強(qiáng)分布的影響2反射相移差對(duì)衍射光強(qiáng)分布的影響2.1特性因子對(duì)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(guò)屋脊面時(shí)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(xiàn)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(duì)根據(jù)施密特棱鏡B因子與衍射光強(qiáng)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(duì)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(duì)光強(qiáng)分布的影響由波動(dòng)光學(xué)中知道，偏振方位角為的線(xiàn)偏振光通過(guò)施密特棱鏡后的衍射光強(qiáng)為其中，2a、2b為照射在屋脊面上的光斑沿x、y軸的長(zhǎng)度，f為透鏡焦距，為入射線(xiàn)偏振光振動(dòng)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(guò)施密特棱鏡的矢量衍射光強(qiáng)是取向～范圍的所有線(xiàn)偏振光衍射光強(qiáng)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(jí)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(qiáng)，衍射光斑中央的光強(qiáng)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(jì)（論文）決定于函數(shù)。，則衍射光強(qiáng)不受影響；，則中央光強(qiáng)變?nèi)酰苌涔獍弑憩F(xiàn)出分裂現(xiàn)象。由時(shí)，此時(shí)中央光強(qiáng)的大小完全決定于B值的大小。時(shí)，，偏振像差隨著B(niǎo)值的增大而增大；B=0時(shí)，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(jiàn)的為例，可得折射率n在1.4~3.0之間連續(xù)變化對(duì)應(yīng)的值曲線(xiàn)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(shuō)，不存在通過(guò)最佳棱鏡材料折射率消除偏振像差的可能。理論計(jì)算的時(shí)的衍射光強(qiáng)分布圖當(dāng)時(shí)，零級(jí)衍射光強(qiáng)分布不隨入射線(xiàn)偏振光方位角的變化而改變。因此，是消除零級(jí)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(shí)，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(qiáng)公式是：I=根據(jù)上式可得垂直于屋脊的y軸方向的光強(qiáng)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(guò)程中，y軸方向的光強(qiáng)由1個(gè)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(shí)，得到的是峰值光強(qiáng)最高，最寬最窄的單個(gè)光斑（單像）；當(dāng)B≠0時(shí)，峰值光強(qiáng)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(niǎo)值的增大而增大；當(dāng)B=1時(shí)，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(qiáng)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(shuō)，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(shí)施相應(yīng)措施來(lái)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(xiàn)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(shí)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(duì)衍射光強(qiáng)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(niǎo)值唯一取決于反射相移差的大小，因此接下來(lái)要對(duì)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(shí)現(xiàn)給屋脊表面鍍制相位膜層是實(shí)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(duì)自然光經(jīng)過(guò)施密特棱鏡衍射光強(qiáng)分布的影響關(guān)系曲線(xiàn)圖。如圖，光斑的分裂是呈對(duì)稱(chēng)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(qiáng)位于x=y=0的中央位置，當(dāng)︳︳=π時(shí)，峰值光強(qiáng)達(dá)到最大，也變窄了。3相位膜層對(duì)偏振像差的矯正關(guān)系3相位膜層對(duì)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(huì)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?xún)煞N不同的原理發(fā)揮著作用：一種是以簡(jiǎn)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(duì)其校正效果進(jìn)行分析。3.2膜系的設(shè)計(jì)與分析首先，應(yīng)對(duì)相位膜層校正棱鏡的偏振像差進(jìn)行理論分析，設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)軟件也有多種，我們選擇TFCalc膜系設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)膜系，獲得光學(xué)常數(shù)及一些參數(shù)的變化曲線(xiàn)。在本次鍍膜中，我主要采用三層介質(zhì)膜（ZRO2-TIO2-SIO2),來(lái)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(jì)4GUI界面基本設(shè)計(jì)4.1MATLAB在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（MatrixLaboratory）之意。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專(zhuān)業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)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(lái)解算問(wèn)題要比用C,FORTRAN等語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多。MATLAB擁有數(shù)百個(gè)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(lái)擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。學(xué)科工具包是專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包，信號(hào)處理工具包，通信工具包等都屬于此類(lèi)。開(kāi)放性使MATLAB廣受用戶(hù)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(hù)通過(guò)對(duì)源程序的修改或加入自己編寫(xiě)程序構(gòu)造新的專(zhuān)用工具包。在70年代中期，CleveMoler博士和其同事在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的資助下開(kāi)發(fā)了調(diào)用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫(kù)。EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序庫(kù),LINPACK是解線(xiàn)性方程的程序庫(kù)。在當(dāng)時(shí),這兩個(gè)程序庫(kù)代表矩陣運(yùn)算的最高水平。到70年代后期，身為美國(guó)NewMexico大學(xué)計(jì)算機(jī)系系主任的CleveMoler，在給學(xué)生講授線(xiàn)性代數(shù)課程時(shí)，想教學(xué)生使用EISPACK和LINPACK程序庫(kù)，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用FORTRAN編寫(xiě)接口程序很費(fèi)時(shí)間，于是他開(kāi)始自己動(dòng)手，利用業(yè)余時(shí)間為學(xué)生編寫(xiě)EISPACK和LINPACK的接口程序。CleveMoler給這個(gè)接口程序取名為MATLAB，該名為矩陣(matrix)和實(shí)驗(yàn)室(labotatory)兩個(gè)英文單詞的前三個(gè)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(fèi)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(jué)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)了第二代專(zhuān)業(yè)版。這一代的MATLAB語(yǔ)言同時(shí)具備了數(shù)值計(jì)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(jì)(論文)1984年，CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市場(chǎng)，并繼續(xù)進(jìn)行MATLAB的研究和開(kāi)發(fā)。在當(dāng)今30多個(gè)數(shù)學(xué)類(lèi)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(lèi)。一類(lèi)是數(shù)值計(jì)算型軟件，如MATLAB,Xmath,Gauss等，這類(lèi)軟件長(zhǎng)于數(shù)值計(jì)算，對(duì)處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類(lèi)是數(shù)學(xué)分析型軟件，Mathematica,Maple等，這類(lèi)軟件以符號(hào)計(jì)算見(jiàn)長(zhǎng)，能給出解析解和任意精確解，其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)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(jì)算和圖示能力的基礎(chǔ)上，又率先在專(zhuān)業(yè)水平上開(kāi)拓了其符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模和實(shí)時(shí)控制能力，開(kāi)發(fā)了適合多學(xué)科，多部門(mén)要求的新一代科技應(yīng)用軟件MATLAB.經(jīng)過(guò)多年的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，MATLAB以經(jīng)占據(jù)了數(shù)值軟件市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。4.2GUI界面4.2.1圖形用戶(hù)界面的打開(kāi)和初步設(shè)計(jì)在Matlab命令運(yùn)行g(shù)uide命令打開(kāi)圖形用戶(hù)啟動(dòng)界面GUIDEQuickStart圖4.2.1對(duì)話(huà)框，選擇BlankGUI(Default)，單擊“OK”按鈕，新建一個(gè)圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)界面，如圖4.2.1所示。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的具體要求和圖形用戶(hù)界面的設(shè)計(jì)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(hào)，另外在工作區(qū)放置兩個(gè)“PushButton”按鈕，分別雙擊這兩個(gè)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(gè)控件的名稱(chēng)分別為進(jìn)入和關(guān)閉，字體大小可設(shè)置為16號(hào)。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(tái)上所制作的界面外形及所含構(gòu)件已經(jīng)符合設(shè)計(jì)要求，但這個(gè)界面各構(gòu)件之間的通訊還沒(méi)有建立，為此必須激活處理。激活方式為：選中其中的一個(gè)控件，如“眼圖”控件，右擊控件選擇“ViewCallback”中的“callback”可出現(xiàn)一個(gè)可以(待填寫(xiě)回調(diào)指令的)M函數(shù)文件的文件編輯器界面，在待填寫(xiě)回調(diào)指令處填寫(xiě)語(yǔ)句figure(yantu)，其余控件依此類(lèi)推分別在指令處填寫(xiě)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(guò)程中各過(guò)程波形的圖形用戶(hù)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(xiě)：functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)%hObjecthandletopushbutton1(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)figure(digital)回調(diào)函數(shù)編寫(xiě)完成后，點(diǎn)擊保存按鈕進(jìn)行保存，點(diǎn)擊工作臺(tái)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(xiě)完了回調(diào)函數(shù)，只需點(diǎn)擊各個(gè)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(jí)衍射光強(qiáng)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(jí)衍射光強(qiáng)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(jí)衍射光強(qiáng)分布圖在不同光強(qiáng)和波長(zhǎng)的情況下，光強(qiáng)和光斑分裂情況是不同的。線(xiàn)偏振光經(jīng)過(guò)施密特棱鏡的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光強(qiáng)分布與B和Δ1有關(guān)，但是零級(jí)光斑的中央光強(qiáng)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(gè)因子B，明確了B=0是零級(jí)光斑中央光強(qiáng)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(gè)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(duì)于最常見(jiàn)的K9玻璃制造的頂角為的Schmidt棱鏡，依據(jù)文獻(xiàn)可以計(jì)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(guò)用matlab對(duì)上式自然光的光強(qiáng)表達(dá)式進(jìn)行編程，可以得到此表達(dá)式的光強(qiáng)分布圖(忽略x方向)為：理論光強(qiáng)分布圖通過(guò)對(duì)時(shí)的光強(qiáng)表達(dá)式圖形的分析，可以看出它的光強(qiáng)有兩個(gè)極大值，因此理論上光斑將發(fā)生分裂，因而會(huì)產(chǎn)生偏振像差。對(duì)于最常見(jiàn)的K9玻璃制造的頂角為的Schmidt棱鏡，依據(jù)文獻(xiàn)可以計(jì)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(guò)計(jì)算可以得出，代入自然光的光強(qiáng)表達(dá)式公式將得到光強(qiáng)分布圖(忽略x方向)為：理論光強(qiáng)分布圖通過(guò)對(duì)時(shí)的光強(qiáng)表達(dá)式圖形的分析，可以看出它的光強(qiáng)只有一個(gè)最大值，因此理論上光斑不發(fā)生分裂，因而就沒(méi)有偏振像差。5TFCal膜系設(shè)計(jì)軟件分析5TFCal膜系設(shè)計(jì)軟件分析5.1TFCal軟件對(duì)數(shù)據(jù)的采集處理TFCal膜系設(shè)計(jì)軟件是一個(gè)光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)和分析的通用工具，它允許活動(dòng)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(qiáng)大功能的軟件，對(duì)于膜層：基層的兩側(cè)可以達(dá)到5000層，膜層可以手動(dòng)的添加，也可以使用堆疊公式自動(dòng)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(zhǎng)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(gè)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(jì)算反射、穿透、吸收、光學(xué)密度、損耗、相位改變、組延遲、電場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算反射或穿透顏色，計(jì)算連續(xù)膜層的等價(jià)折射率，計(jì)算反射、穿透、吸收、密度和用戶(hù)自定義的損耗平均錐角，還可以對(duì)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(shí)需使用。對(duì)于光學(xué)數(shù)據(jù)：材料、基質(zhì)、光源、探測(cè)器和輻射文件的數(shù)值沒(méi)有限制，折射率可以用表格或散射公式的形式輸入，對(duì)于基質(zhì)，內(nèi)部穿透率可以讀出，使用填寫(xiě)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(jì)算。此次設(shè)計(jì)膜系需要設(shè)計(jì)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(jiàn)光范圍內(nèi)，因此使用了TFCal膜系設(shè)計(jì)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(jì)(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(xiàn)及數(shù)據(jù)以上用TFCal膜系設(shè)計(jì)軟件的到了各個(gè)膜系的反射率和s分量，p分量隨波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)以及反射相移差隨波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)圖。可看出AL膜層的反射率隨著波長(zhǎng)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(zhǎng)的增加變化不大。三層膜MHL的反射率為百分之百，不隨波長(zhǎng)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(yùn)用以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算Origin為美國(guó)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(jiǎn)單易學(xué)、操作靈活、功能強(qiáng)大的軟件，是工程師們和科研人員較為常用的高級(jí)數(shù)據(jù)分析和制圖工具，其操作簡(jiǎn)單，功能開(kāi)放，不僅可以滿(mǎn)足一般用戶(hù)的工程制圖需要，而且可以滿(mǎn)足高級(jí)用戶(hù)的數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要。Origin具有兩大類(lèi)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(lái)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(zhǎng)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(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。對(duì)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?？芍匀还夤獍叩姆至?，使零級(jí)衍射中央光強(qiáng)為極大值的條件是B=0。AL隨波長(zhǎng)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(zhǎng)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(huì)相對(duì)與裸棱鏡有明顯的減小，運(yùn)用三層膜MHL后，其B值更小，在0.0002～0.0475之間浮動(dòng)，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(qiáng)分布表達(dá)式的分析建立過(guò)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(shí)，對(duì)應(yīng)B=0，偏振像差完全消除。根據(jù)實(shí)驗(yàn)后計(jì)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(gè)圓光斑，B值接近于0.3；對(duì)于鍍制三層介質(zhì)膜的棱鏡，圖像為一個(gè)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(jì)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(yùn)用膜系設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的不同結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制膜系，對(duì)其進(jìn)行反射相移特性理論分析和實(shí)驗(yàn)后，對(duì)自然光經(jīng)過(guò)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(jiàn)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(duì)棱鏡衍射光強(qiáng)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(jì)軟件設(shè)計(jì)不同的膜系，分析反射相移差與不同相位膜層、不同波長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)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(tái)上，利用GUIDE功能開(kāi)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(duì)應(yīng)參數(shù)，輸出屋脊面矯正態(tài)反射相移差——以曲線(xiàn)形式輸出；輸入特定位相差及其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)和其他參數(shù)，輸出零級(jí)衍射光強(qiáng)矯正態(tài)分布圖——以等光強(qiáng)線(xiàn)形式輸出。著重研究了斯密特棱鏡Jones矩陣元對(duì)偏振像差的影響，斯密特棱鏡偏振像差的Jones矩陣檢測(cè)方法，施密特棱鏡零級(jí)衍射光斑分裂機(jī)理，MATLAB中GUI基本設(shè)計(jì)以及TFCal膜系設(shè)計(jì)軟件的使用。消除自然光光斑的分裂，使零級(jí)衍射中央光強(qiáng)為極大值的條件是B=0。AL隨波長(zhǎng)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(shí)，我對(duì)MATLAB有了更深刻的認(rèn)識(shí)，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(yáng).偏振和衍射雙重效應(yīng)影響的Schmidt棱鏡特性[J].光子學(xué)報(bào),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(guó)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(bào),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(chǎng)衍射特性[J].光學(xué)學(xué)報(bào),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(dòng)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(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,30(4):55-57.[10]孫淑靜.用雙棱鏡測(cè)波長(zhǎng)方法研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),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(bào)，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(bào)，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(wú)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(wú)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(xiě)論文的過(guò)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(guò)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(shí)的態(tài)度使我深受感動(dòng)，從他那里我不僅學(xué)到了知識(shí)，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(wú)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(lái)的辛勤栽培，是他們傳授給我諸多的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并指導(dǎo)我如何運(yùn)用，并在畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)的這段時(shí)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(jiàn)和建議，對(duì)于你們的幫助和支持，在此表示深深地感謝！畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)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(shí)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(jì)（論文）工作的知識(shí)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(jì)（論文）工作成果或用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作成果發(fā)表論文時(shí)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(jì)（論文）的原文或復(fù)印件，允許畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨籍厴I(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)（論文）。（保密的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明畢業(yè)設(shè)計(jì)HYPERLINK\l"_Toc199171480"（論文）獨(dú)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(jì)（論文）是我個(gè)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(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的成果，不包含他人已申請(qǐng)學(xué)位或其他用途使用過(guò)的成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了致謝。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)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(jì)(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,eventdat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