多表面干涉下的光学元件面形检测

为了消除平行平板类光学元件的多表面干涉效应对元件面形测量的影响,提出了基于波长移相调谐技术与傅里叶变换原理的多表面干涉条纹检测技术.首先,根据波长移相原理和被测元件的厚度,按照推算出的被测腔长与元件厚度间的比例关系正确摆放被测元件的测试位置.然后,通过波长移相技术采集一组干涉图.最后,对这组多表面干涉图进行离散傅里叶变换,提取带有被测元件前后表面面形的频率信息以及厚度变化的频率信息,通过重构算法得到准确的面形信息和厚度信息.实验结果表明:与传统的13步移相算法相比,得到的前表面PV值和RMS值分别相差0.003和0.001,而后表面PV值与RMS值分别相差0和0.001.这些结果基本满足平行平板类光学元件面形的高精度测量与洁净测量的要求.     

数字莫尔移相干涉仪误差多点标定与修正研究

干涉测量在现有的光学元件面形检测方法中具有测量精度高的优势,应用相对广泛。但干涉仪元件的加工和装调误差会降低面形检测精度。提出一种利用夏克哈特曼波前传感器对实际干涉仪系统进行多点标定的方法,利用波前标定数据在光学设计软件ZEMAX中实现对虚拟干涉仪系统的修正,结合数字莫尔移相算法,消除实际干涉仪加工和装调误差的影响。选取平面镜和可变形镜作为待测镜分别进行面形测量实验,结果表明,标定和修正后的数字莫尔移相干涉仪系统检测精度提高,与Zygo干涉仪的检测结果相比,面形趋势保持一致且峰谷值(PV)值误差相差在0.07λ(λ=532 nm)以内。     

误差分离技术在平面镜瑞奇-康芒法检测中的应用

为了提高瑞奇-康芒法检测平面镜面形误差的精度,提出了利用检测系统光瞳面与被检平面镜表面的坐标映射关系插值拟合平面镜面形的方法。结合最小二乘法分析,解算了由光路调整引入的离焦误差,获得了更为真实的平面镜面形误差。理论仿真分析显示,此方法的平面镜测量误差可控制在λ/100(λ=632.8nm)量级。对口径为40mm的小口径平面镜进行了实际检测,检测过程中通过多角度旋转被测平面镜,利用坐标映射关系和幅值转换关系对测试波前进行恢复,在分离系统离焦误差后得到被检平面镜面形RMS值为0.018 6λ,与干涉仪直接检测得到的RMS值0.021λ相比,残差为0.002 4λ。实验结果证明了此种误差分离技术在瑞奇-康芒法对平面镜面形检测时的有效性与准确性。     

采用单位激励影响矩阵数值计算的瑞奇-康芒检测技术

在影响矩阵法瑞奇-康芒检验中,恢复被测面形的关键在于构建被检平面面形误差与系统波像差之间的Zernike系数影响矩阵。为了提高瑞奇-康芒法的检测精度,研究了采用单位激励法来精确计算影响矩阵的方法。分别重构平面镜仅包含某一种Zernike波像差下的系统波像差分布,经Zernike拟合得到该种Zernike像差的影响系数向量;由各Zernike像差的影响系数向量组成影响矩阵,然后用最小二乘拟合出被检平面面形。对口径为90mm的平面镜进行实际检验,在瑞奇角为26.5°与40.6°的情况下进行波前恢复,得到被检平面镜PV值为0.141 3λ,RMS为0.019 4λ。与直接采用平面参考镜检测相比,瑞奇-康芒法检测误差PV值为0.082 8λ,RMS为0.010 9λ。该方法能够精确生成影响矩阵,抑制了影响矩阵法中对大F数的依赖,可用于精确恢复平面镜面形。     

Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差,且表面粗糙度较大、反射率较低,采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题,提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜.研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件.为了验证该方法的可行性,对已经加工完成的350 mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测,测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=632.8 nm);与干涉测量的标准结果进行了对比,得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0.014λ和0.001λ.对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠,从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性.     

基于光强自标定移相算法检测光学面形

考虑菲佐型波长移相干涉仪中波长可调谐激光器光强与调节电压之间的关系会对相位计算精度造成影响,本文提出了一种基于光强自标定的波长移相算法。首先,分析了波长可调谐激光器调节电压与输出光强之间的关系,建立了数学模型;然后,依据最小二乘判据,推导出了波长移相干涉仪的光强自标定移相算法。最后,实施了仿真实验,通过计算机生成背景光强具有一定变化的12幅干涉图,利用所提出的算法进行了相位恢复。结果表明,提出的算法可以很好地免疫激光器的光强变化,实现高精度的相位恢复。对口径为100mm的平面镜的测量结果显示RMS为0.005λ,PV为0.073λ。与ZYGO干涉仪测量结果的比较显示,两次测量面形的偏差RMS为0.0014λ,PV为0.022λ。得到的结果证明了算法的可行性及在菲佐型波长移相干涉仪中的实用性。     

相移干涉测量中相移误差的自修正

分析了相移干涉测量过程中相移误差产生的原因,研究了基于迭代最小二乘算法的相移误差修正法,实现了任意两幅干涉图间相对移相量的计算和自适应校正.基于光、机、电、算四系统,实现任意步长的3幅以上干涉图像的采集,用迭代最小二乘法计算任意两幅干涉图间的相对移相量,然后将其闭环反馈至硬件相移系统,自动修正相移步长为给定量的特征相移值,从而完成干涉仪相移误差的自修正.构建了相移误差自校正系统,通过实际干涉测量验证了算法的正确性和相移误差自修正系统的可行性.结果表明,自适应修正后相移量相对误差＜5％,面形RMS测量重复性＜λ/1 000,实现了高精度、高效率的相移误差自适应修正.     

通过傅里叶变换测量多表面面形

为了更简便、准确地测量透明平行板,提出了一种基于区域生长算法与傅里叶变换的单幅三表面干涉条纹相位恢复方法。通过傅里叶变化将三表面干涉条纹图由空域变化到频谱域。不同表面的干涉条纹在频谱域中对应的位置不同,通过改变区域生长算法中的参数,提取出合适的区域,最终得到面形。该方法可以由单幅三表面干涉条纹图同时得到透明平行板前后两个表面的面形。分析了由算法求得的表面面形的误差,通过叠加分离的双表面干涉图与原三条纹图进行比较,得到相应的误差分布图,通过误差分布图可以改善算法的精度。将得到的面形与Zygo干涉仪得到的面形进行对比,发现该方法测量精度较高,其相位提取误差PV值小于0.12λ,RMS值小于0.065λ;重复性得到验证,其重复率可靠度优于λ/100。测量到的面形与物体真实面形接近,测量方法更加简便。     

LDI-2激光数字波面干涉仪

<正> 富通光电工程公司新近开发出 LDI—2激光数字波面干涉仪。仪器采用独特的数字移相方法,可进行实时数字干涉测量。这种干涉仪可用于精确定量测量凹球面镜的面形误差和曲率半径。配备辅助光学件后,本仪器还可以测量凸球面、平面、非球面镜的面形误差以及光学系统的波像差等。仪器最大可测孔径达 F1.3,仪器不确定度λ/50(F4)、λ/5(F1.3)。     

基于光强实时反馈控制和同步校准的波长调谐移相干涉系统

波长调谐移相干涉技术是通过改变光波长来计算相位的。为了减少可调谐激光器在变波长进行移相时光功率的随机变化对相位计算产生的误差,本文提出了一套光强实时反馈控制系统和同步校准方案。首先分析了光强在某一范围内的随机变化产生测量误差,并选用合适的光电检测设备搭建了一套光强控制系统。该系统能够将光信号转化为电信号,并通过PID来实现对光强的控制。实验结果表明,本系统能够将光强的变化范围控制在±0.002 mW以内,其响应速度达到600 kHz,已远远超过干涉仪CCD的取图速度。最后,对口径为50 mm的光学元件进行表面形貌检测,加入本控制系统后,面形精度的测量指标PV值和RMS值分别提高了1.53×10^-2λ和2.43×10^-3λ,表明本系统在高精度的光学元件检测领域具有重要的实用价值。     

Ф420mm高次非球面透镜的加工与检测

介绍了Ф420mm熔石英高次非球面透镜的加工与检测方法。对现有数控加工工艺进行了优化,通过分工序加工方式,依次采用机器人研磨、抛光和离子束修形技术完成了透镜的加工。进行非球面透镜检测时,考虑透镜的凹面为球面,利用球面波干涉仪对其面形进行了直接检测,剔除干涉仪标准镜镜头参考面误差后,透镜凹面的精度达到0.011λ-RMS;针对透镜的凸面为高次非球面,采用基于背后反射自准法的零位补偿技术对其进行面形检测,其精度达到0.013λ-RMS。最后,采用一块高精度标准球面镜对加工后透镜的透射波前进行了自消球差检测,得到其波前误差为0.013λ-RMS。试验结果表明,非球面透镜各项技术指标均满足设计要求。所述工艺方法亦适用于更大口径的非球面透镜及其他类型非球面光学元件的高精度加工.     

Shape measurements of mirror surfaces with a lateral-shearing interferometer during machine running

A common path lateral-shearing interferometer with a minimum number of optical components has been developed. Because the interferometer is little affected by mechanical vibrations and air turbulence, it can be mounted on an ultraprecision lathe and can be used to measure the shapes of workpieces. A plane parallel glass plate is used to shear the wavefront under test in the interferometer. To analyze the interference fringes obtained by the interferometer precisely, a fringe-scanning method using a slight tilt of the glass plate is used. Zone plates that are computer-generated holograms are used to measure spherical and aspherical surfaces with the interferometer. A spherical and a parabolic concave mirror were measured with the interferometer. The spherical mirror was also measured by a Fizeau interferometer to compare the error with that measured by the lateral-shearing interferometer. The experimental results agreed well with those measured by the lateral-shearing interferometer.     

误差补偿技术在相位偏移干涉测量中的应用

在研究泰曼—格林相位偏移干涉仪测量原理基础上，分析了位移驱动器移相误差对五幅移相计算结果的影响，一阶线性误差和二阶非线性误差是相位偏移干涉测量技术中产生相位误差的主要因素；提出了五幅算法移相误差补偿技术，该方法直接从相位偏移干涉图中计算移相过程中存在的一阶及二阶移相误差，对五幅算法结果进行误差修正；采用玻璃平晶为测试对象，建立了泰曼一格林干涉仪移相误差补偿原理试验系统。试验结果表明在同时存在一阶移相误差及二阶移相误差情况下，采用提出的移相误差补偿方法可以将位移测量精度提高6倍，相当于采用氦氖激光器的倍程干涉仪中位移精度达到1．0nm。     

金刚石复合片与硬质合金的钎焊研究

通过聚晶金刚石复合片与YG8硬质合金的高频感应钎焊试验,研究了不同钎料钎剂搭配对高频感应钎焊接头抗剪强度、焊缝厚度的影响,并用扫描电镜和电子探针观察、分析了焊缝的微观结构。结果表明,690℃钎焊温度下含Mn的1号钎料和活性温度较高的QJ102钎剂是最佳搭配方案。探讨了聚晶金刚石复合片的特殊钎焊工艺,认为采用复焊方法可以大幅提高钎焊接头的抗剪强度。     

利用相位差异法检测镜面面形

为了验证相位差异波前检测器演示系统利用自带光源独立完成波前检测任务的能力,搭建了基于相位差异法检测镜面面形的实验平台。测试时在焦面和离焦面上同时采集短曝光图像,在已知离焦量的前提下解算出波前相位分布并恢复出目标,从而实现对大镜面像差的估计。为了进一步验证相位差异测量方法的准确性,对相位差异法与高精度的ZYGO干涉仪得到的测量结果进行了比较分析。实验结果表明:两种方法获得的面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)一致性很好,而波前RMS的测量精度达到了2.83/1 000λ。得到的结果表明提出的相位差异法能有效地检测出镜面的像差,且准确性很好。     

相移器平移误差与倾斜误差不敏感相移新算法

相移器的相移误差包括平移误差与倾斜误差,使同一幅干涉图诸像素点的相移量并不相等,但仍然在同一平面上.据此,本文提出了消除相移器位移误差与倾斜误差的最小二乘迭代算法.通过对相移平面的最小二乘拟合,即可以消除相移器平移误差与倾斜误差对位相分布求解结果的影响.并通过数值模拟,验证了这种算法在消除相移器位移误差与倾斜影响上的有效性.     

结构光测量中相位误差的过补偿与欠补偿校正

针对现有结构光测量中采用的相位误差补偿算法存在的相位误差过补偿或欠补偿问题,提出了一种新的相位补偿误差校正算法。推导了环境光下四步相移的相位误差数学模型,解释了相位误差过补偿、欠补偿的产生原因;通过数学推导获得相位误差的解析表达式,提出了相位误差过补偿、欠补偿的校正算法。该方法通过向标定平面投射4步相移图像、16步相移图像与黑白图像获得相位误差系数;然后在8种不同环境光条件下重复这一步骤获得多组系数;最后运用参数拟合法获得相位误差数学模型的具体表达式。实验结果表明:无论在黑暗环境还是光环境下,利用该修正方法进行相位误差补偿后均可使相位精度达到0.002rad,比进行相位误差补偿前提高了8.6倍左右,比查找表(LUT)提高了2.5倍左右。该算法精度高,速度快,能有效解决相位误差过补偿、欠补偿的问题。     

基于圆偏振光合成的动态干涉仪同步移相技术研究

动态干涉仪是一种高精度的测量仪器,为了研究动态干涉仪的同步移相技术,论文通过建立两束旋向相反的圆偏振光合成的数学模型,更加清晰的表现了合成光束的传播状态,分析了合成光束经过起偏器后其干涉图像相位与起偏器摆放角度的关系.以此为基础,设计动态干涉仪光路并搭建试验台,最终用四个CCD同步采集到四幅相位依次相差90°的干涉图像,实现对被测镜面的动态测量,为提高干涉仪测量结果的准确性奠定了基础.     

Zone-plate inteferometer to measure the positioning error of a cutting tool

A simple type of zone-plate interferometer has been developed to measure precisely the positioning error of a cutting tool. Interference fringes obtained by the interferometer are little affected by air turbulence in the optical paths and by machine vibrations. The shape of the mirrors surface being tested is spherical and is manufactured with an ultraprecision lathe. A zone plate is set at the midposition between the vertex of the spherical mirror being tested and the center of curvature of the mirror. The error in the shape of the mirror and the positioning error of the tool can be determined by analyzing the interference fringes. Two spherical concave mirrors were measured. One mirror was manufactured with a tool that had same positioning error. The positioning error was observed as distortion of the interference fringes. The images obtained by the zone-plane interferometer agree well with the images obtained by a Fizeau interferometer and a computer simulation based on the experimental results. The other mirror was manufactured with the tool after the positioning error had been eliminated, based upon the results of the above experiments. The interference fringes of the mirror show no distortion, and the error in the shape of the mirror is small.     

一种基于相移技术的物体表面三维轮廓测量方法

提出一种将阴影莫尔条纹法与相位测量技术相结合的物体表面三维轮廓测量方法 ,该方法利用电磁铁和精密机械部件对光栅进行定位控制以实现精确相移 ,并采用三步相移技术对CCD摄像机采集的物体表面形貌莫尔条纹进行相位解调 ,可有效实现物体表面三维轮廓的高速、高精度自动测量。