高精度平面子孔径拼接算法研究

对平面子孔径拼接累积误差的理论分析及数值仿真表明,参考镜面形的拼接重叠区域的局部斜率差和直流偏差是产生累积误差的原因。为了提高大口径平面光学元件子孔径拼接检测精度,提出一种简单有效的可以减小子孔径拼接测量累积误差的方法,该方法采用第4项和第6项泽尼克像差拟合一个假设的准参考镜面形,再从每个子孔径测量结果中减去,最后拼接合成全口径面形。对450mm×60mm的平面镜进行了8个子孔径的拼接检测,去除准参考镜面形前后,拼接测量结果与Zygo公司24英寸(600mm)口径干涉仪检测结果的偏差峰谷(PV)值从λ/7减小至λ/100。所拟合的准参考镜面形误差为0.02λ(PV值),与标准镜的面形误差为同一量级,其对每个子孔径测量结果的影响可以忽略。实验结果表明,本文方法能够有效控制拼接累积误差,提高拼接检测精度。     

平面子孔径拼接干涉测量精度分析

如何提高子孔径拼接干涉测量精度是子孔径拼接系统的关键问题。针对一维平面子孔径拼接系统,分别采用两两拼接算法和误差均化拼接算法,进行拼接位移台定位误差、参考面面形误差和随机噪声对拼接精度影响的数值仿真与分析。仿真结果表明,对于平面拼接系统,参考面高阶误差、随机噪声对拼接精度影响较小,高阶误差的影响略大于随机噪声的影响;参考面低阶误差(二阶项误差)在拼接过程中会累积放大,是平面拼接干涉测量的主要误差来源,误差均化拼接算法不能有效控制参考面低阶误差的拼接累积误差;两两拼接算法与误差均化拼接算法得到基本相同的拼接结果。对450mm×60mm的平面镜进行了15个子孔径的拼接测量,去除参考面低阶误差面形前后,拼接结果与大口径干涉仪的测量结果偏差从λ/3[峰谷值(PV),λ=632.8nm]减小至λ/45(PV)。     

子孔径拼接干涉检测中机械定位误差的补偿

为减少子孔径拼接干涉检测中机械精度引起的定 位误差对检测结果造成的影响,在一般的调整误差 拼接算法上加入机械定位误差的补偿项,建立了补偿机械误差的综合优化方法。针对参考 面未知的拼接 干涉检测,研究了应用极大似然估计法拟合出用Zernike多项式表示参考面面形分布的方法 ,在除去参考面 面形后采用补偿机械误差的算法拼接。模拟对比实验表明,在相同的机械精度下,机械误 差补偿算法得 到的全口径相位差异分布均方根(RMS)值减少到近一般调整误差 拼接法的1/6,机械误差补偿算法拼接精度高于一般 调整误差拼接法。在搭建的拼接检测装置上检测口径为280mm的平面 镜,与大口径干涉仪检测的全口径相位差异分布的峰谷(PV)值为 0.099λ,R MS值为0.006λ,验证了综合优化方法在重构 参考面面形基础上能有效补偿机械定位误差。     

球面绝对检测方法的误差影响分析及实验研究

球面绝对检测方法可以去除参考面面形误差的影响,从而提高了被检面的检测精度。在此高精度的检测中,被检面机构调整误差和环境扰动误差是影响检测结果的两个主要因素。将机构调整误差理解成一种特殊的面形误差,通过这一思路分析了该误差对最终检测结果的影响。为了提高检测精度,根据高阶离焦模型去除了调整误差中的离焦误差,并且设计了一种简易有效的旋转角度控制机构用来控制旋转错位误差。将环境扰动误差看作是随机误差,分析了该误差对三步检测每一步的影响,并采用多次测量取平均的办法减小其影响。基于Zygo干涉仪,使用六自由度高精度调整机构对精度优于λ/40的被检球面进行了绝对检测。绝对检测三步法测得的被检面面形误差的评价值小于单步法的测得结果对应的评价值,各评价值置信概率为0.99的置信区间长度很小,说明采用文中的装置和数据处理方法能实现绝对检测的高重复性和有效性。     

一种去除拼接干涉图中累积误差的简单方法

用子孔径拼接干涉法来检测大口径光学元件和光学系统是一种成本较低的有效手段。但是随着子孔径数目的增加,拼接得到的面形图中存在着很大的累积误差严重影响了拼接的精度,因此如何简单快速地去除累积误差成为子孔径拼接干涉检测法研究的主要问题之一。文中介绍了一种简单且快速的方法去除拼接中的累积误差。并且对一个大小为180 mm80 mm 的平面镜进行了6 个子孔径拼接检测实验。在实验中,文中提出的方法很好的去除了拼接中的累积误差。     

一种修正子孔径拼接中系统误差的方法

通过对子孔径拼接中系统误差放大效应的分析研究,提出一种修正由干涉仪参考平晶引入的系统误差的方法。该方法只需利用三面互检获取参考平晶在拼接轴上(水平和垂直方向)的面形数据,再用该数据构建参考平晶的面形误差修正波面,即运用Zernike多项式(离焦和像散项)对误差修正波面进行低阶二次曲面的拟合,并在子孔径拼接测量中进行实时修正。实验证明,该方法能够消除由干涉仪参考平晶所引起的系统误差对拼接的影响,有效提高拼接波面的精度。     

高精度子孔径拼接中参考面误差的去除方法

基于最小二乘拟合的传统干涉子孔径拼接方法实现了小口径干涉仪对大口径光学元件的检测,然而在子孔径测试过程中,由于干涉仪上的参考面存在面形误差,将使获得的各子孔径的面形数据偏离真实值,所以在进行高精度面形测量时,获得参考面的面形误差并将其补偿掉是非常必要的。因此,提出了一种在拼接过程中用Zernike项对子孔径间重叠区域数据进行拟合的方法来求得参考面面形。首先在传统的目标函数上加入一系列Zernike项表征待求参考面,然后按照最小二乘法对函数进行求解得到各项系数,从而得到拟合的参考面。对平面和球面分别进行了子孔径拼接实验,拟合得到的参考面面形与QED拼接干涉仪计算得到的参考面面形的PV值偏差小于5nm,RMS值偏差小于0.2nm,拼接后的重叠区域不匹配误差值小于10nm。实验结果表明,在子孔径拼接过程中可以补偿参考面误差而得到更真实的拼接面形。     

斐索式红外干涉仪研制和测试技术研究

研制了斐索式红外干涉仪,口径为120mm,配置F/1,F/4标准球面锗透镜,用于检测红外非球面透镜的非球面面形和波像差质量。干涉仪中采用两个红外探测器分别形成对点、测试两路成像光路,并配合光栅尺,实时监测标准镜和被测件的方位,解决了红外光不可见性带来的测试中装夹调整的困难。采用在线标定的方法,实现了大伸长量移相器的标定。使用干涉仪检测了红外非球面透镜的质量,并标定了系统误差。检测结果表明,干涉仪的测量精度均方根(RMS)值优于0.01λ,测量重复性RMS优于0.002λ。     

子孔径拼接检测光学平面反射镜技术

干涉检测作为高精度光学面形加工的基础,其检测精度决定了加工精度。为了解决大口径光学平面反射镜检测问题,基于子孔径拼接算法,提出了一种拼接因子用于重叠区域取值,同时利用 100mm口径干涉仪对120mm口径平面反射镜完成拼接检验,并将拼接检测结果与利用150mm 口径干涉仪直接检测结果进行了对比分析,实验结果表明,拼接结果无拼痕,拼接检测结果与全口径测量结果PV 与RMS 的相对偏差分别为7.25%与7.14%,检测面形是一致的,由此验证了拼接检测的可靠性和准确性。     

采用三角剖分算法的子孔径拼接检测技术

为了解决大口径光学平面镜的子孔径拼接检测问题,基于三角剖分算法与最小二乘拟合算法,建立了一套合理的拼接算法和数学模型,编制了拼接程序,并结合工程实例,利用600 mm干涉仪实现了对612 mm180 mm圆角矩型平面镜的拼接测量。检测中,基于靶标确定子孔径间的相对位置,完成子孔径间的对准,并且基于不同的镜体位置,对拼接检测的重复性进行了多次实验验证。实验结果表明:拼接结果无拼痕,并且两次基于不同镜体位置计算获取的拼接面形PV与RMS的相对偏差分别为2.07%与0.52%,拼接面形是一致的,验证了检测的可靠性和准确性。     

基于迭代梯度算法的子孔径拼接检测技术研究

为了解决粗大调整误差下大口径光学平面镜的子孔径拼接检测问题,基于迭代梯度算法,建立了一套合理的拼接算法和数学模型,同时编制了拼接程序。结合工程实例,利用Φ600mm干涉仪实现了对Φ800mm平面镜的拼接测量。检测中,基于靶标对各子孔径实现对准,拼接所得面形光滑连续无狭缝。实验结果表明,利用迭代梯度算法可以高精度地完成粗大调整误差下大口径平面镜的拼接检测。     

大口径反射镜子孔径拼接自检验精度分析

为了解决大口径反射镜子孔径拼接精度评价的问题，提出了自检验的子孔径拼接精度分析方法，实现了对大口径反射镜拼接精度的分析评价，同时提供了一种拼接精度检测方法。自检验即利用子孔径检测面形对拼接获得的拼接结果进行拼接精度检验。讨论了相应的精度评价指标及计算方法，并结合工程实例，利用600 mm 干涉仪实现了对800 mm 平面镜的拼接测量。以自检验的评价方式对拼接精度进行了分析，结果表明，拼接结果是准确的，同时验证了以自检验方式评价拼接精度的可靠性与准确性。     

子孔径拼接干涉测量一大口径双曲面(英文)

为了无需辅助元件就能够实现对大口径非球面的检测,将子孔径拼接技术与干涉技术相结合,提出了一种利用子孔径拼接干涉检测非球面的新方法.分析了该技术的基本原理,并基于齐次坐标变换、最小二乘拟合建立了一种综合优化的拼接模型,在此基础上初步设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装备.利用该方法对一口径为350 mm的双曲面进行了5个子孔径的拼接检测,得到拼接后的全口径面形误差的PV值为0.319λ,RMS值为0.044λ(=632.8 nm).为了对比和验证,对该非球面进行了零位补偿检测,两种方法测量所得的全口径面形分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为0.032λ和0.004λ.实验结果表明:该数学模型和拼接算法是准确可行的,从而提供了一种非零补偿测试大口径非球面的手段.     

基于非理想标准镜的子孔径拼接干涉检测技术研究

在大口径光学镜面的检测中,随着参考镜尺寸的增加,加工精度的制约,重力变形,温度,环境等因素的影响使得参考镜在检测中已经不能作为理想平面镜。文中基于最大似然估计（ML）算法,Zernike 多项式拟合对利用非理想平面镜作为参考镜的子孔径拼接检测建立了一套合理的拼接算法和数学模型。并结合工程实例,完成了对2.5 m3.5 m 椭圆形平面镜的模拟拼接实验,拼接前后全孔径面形误差分布是一致的,其PV 值和RMS 值的偏差分别为0.022 与0.001 3 。全口径相位分布的PV 值与RMS 值的相对误差分别为2.81%与0.81%。实验结果表明:利用ML 拼接算法可以高精度地完成对参考镜为非理想平面的大口径平面镜的拼接检测。     

基于最大似然估计算法的子孔径拼接检测技术

大口径平面镜作为光学系统的重要组成部分, 其面形精度对系统成像具有重要影响。子孔径拼接检测作为大口径光学平面反射镜检测的常用手段, 子孔径拼接算法是该技术的核心。研究了平面子孔径拼接算法, 基于最大似然估计与正交化Zernike多项式拟合建立了一套合理的拼接算法与数学模型, 基于该算法模型可以有效实现对大口径平面镜的拼接检测, 同时编写了相应的拼接程序, 并利用100 mm干涉仪对120 mm的平面镜进行了拼接检测, 给出了拼接检测与全口径检测的对比结果, 对比结果表明: 拼接所得全孔径相位分布与全口径检测结果的RMS值偏差分别为0.002, 验证了算法的可靠性与准确性。     

裂像镜在激光测距机离焦检测中的应用

为了减小探测器离焦问题对激光测距系统的影响,设计了一种基于裂像镜的主动型测距机探测器装调系统。首先,分析了裂像镜的成像原理,并对其检测精度进行了理论分析,构建了裂像离焦数学模型;其次,针对影响检测的误差因素,给出了不同取值下的误差曲线,得到了检测精度影响的变化趋势;最后,设计完成理论样机并进行实验验证。实验结果表明:理论样机在离焦量为0~6 mm时,检测精度可以达到0.07 mm, 较为接近理想值,且离焦量越小离焦检测精度越高,符合装调测量习惯。该离焦检测系统为非成像型光电探测器装调提供了一种新方法,能够进一步提高激光测距系统的测量精度。     

环形子孔径拼接检测非球面中的数据处理和标定

利用环形子孔径拼接法,无需零位补偿就能够实现对大口径非球面的测量.但是用干涉仪直接测得的各子孔径的相位数据中包含非共光路误差,同时必须把各子孔径的CCD像素坐标统一归化到镜面上,才能够实现全口径的拼接.提出了一种用干涉仪MetroPro软件中的Fiducial功能模块标定坐标投影畸变的新方法,同时利用Zemax软件模拟非共光路误差,并利用编制的相位拟合软件对该误差进行Zernike多项式拟合,从而很好地实现了坐标统一,并使非共路误差从相位分布中剔出.结合实例对一口径为350 mm的非球面进行了拼接实验,并将拼接结果与零位补偿检测结果相对比,结果吻合,其PV值和RMS值的偏差分别为0.031 λ和0.005 λ(λ=0.6328μm).     

大口径凸非球面反射镜子孔径拼接检测

为了获得大口径凸非球面反射镜全口径的面形,提出了利用子孔径拼接检测大口径凸非球面的新方法。利用干涉仪标准球面波前依次干涉测定大口径镜面上各个区域的相位分布,通过子孔径拼接算法即可求解得到镜面全口径面形信息。对该方法的基本原理和实现步骤进行了分析和研究,建立了大口径拼接检测算法的数学模型,设计并研制了大口径反射镜拼接检验装置。结合实例对一口径为260 mm 的碳化硅凸非球面反射镜进行了9 个子孔径的拼接干涉测量,并将拼接检测结果与全口径面形测量结果进行对比,两种方法测量面形PV 值和RMS 值的偏差分别为0.043和0.021（=632.8 nm）。     

离轴椭球面的反射式补偿检验

使用要求离轴椭球镜的面形PV(峰谷)值优于0.4λ(λ=351 nm)。根据三级像差理论球差表达式和补偿检验原理,得出检测光路中球面补偿镜的半径表达式。由已知数据求解补偿光路的初始结构参数,并带入软件中得到优化后的设计结果,优化后的结果和初始结构参数没有变化,说明补偿光路的求解方法是正确的。考虑到元件的加工误差和检测光路的调试误差,将误差带入检测光路进行模拟分析后,得出被检元件的面形精度:取98%的合格概率时,椭球镜的面形PV为0.379λ(λ=351 nm),能够满足使用要求,说明离轴椭球面的反射式补偿检验法是可行的。     

采用奇偶函数法的平面面形绝对测量技术仿真分析

随着现代工业和科学技术的飞速发展,特别是近代大规模集成电路技术的不断提高,对系统精度的要求日益提高。在光刻系统中,越来越短的特征尺寸要求我们使用更高精度的光刻物镜。在这之前我们需要更高精度的检测技术来满足加工及系统集成的需要。高精度移相干涉仪的测量结果包含了待测面和参考面的误差,移相干涉测量法的测量精度受限于参考面的精度。绝对测量方法通过移除参考面的误差,从而达到提高测量精度的目的。回顾了光学平面面形绝对测量方法,重点描述了基于奇偶函数的绝对测量方法。分析了旋转角度误差对测量结果的影响,通过旋转更小的角度求出了高阶面形拟合分量,给出了求高阶面形拟合分量的通项公式。