非球面镜片面形检测技术综述

非球面镜片的应用越来越广泛,面形误差是影响非球面质量的重要指标,所采用的面形检测方法非常重要。介绍了非球面镜片面形误差的各种检测方法,并对各种检测方法进行了比较。最后,对非球面镜片面形检测技术的发展趋势作出了预测。     

干涉法实时测量浅度非球面技术

提出了一种干涉实时检测非球面的新方法,该方法无需补偿器,CHG等辅助元件就能实现对浅度非球面的测量。对非球面度较小的非球面,直接利用标准球面镜作为参考表面,通过数字干涉仪可以测得全孔径位相分布,将所得的数据剔除参考球面波相对理论非球面的偏差,并运用最小二乘拟合求得机构定位误差,消去此误差,从而能够获得真实的面形信息。利用该方法对一口径为350mm的浅度双曲面进行了测量,通过数据分析和处理得到面形误差的PV值和RMS值分别为0.387λ 和 0.048λ ( =632.8nm)。并将该结果与零位补偿的检测结果相比较,两面形分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为0.033λ 和 0.006λ 。说明该技术对检测浅度非球面是切实可行的。     

利用曲面计算全息图进行非球面检测

研究了利用曲面计算全息图进行非球面检测.分析了曲面计算全息图的衍射特性,给出了曲面计算全息图与传统检测方法相结合检测凹非球面和凸非球面的原理及特点,并进行了具体设计.利用激光直接写入设备,在口径为110mm、曲率半径为504mm的曲面基底上制作出了计算全息图,并对金刚石车床车削的凸面非球面进行了检测.利用两步测量法解决了凸非球面的中心部位难以检测的难题,同时利用旋转相减法消除了调节误差,非球面的面形精度为234nm(P-V),与金刚石车床的精度相符.     

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.     

大口径非球面系统的共基准加工与检验

针对大口径离轴非球面系统加工与装调的难点,提出了非球面光学系统共基准加工与检测的方法,对该方法的基本原理和实现过程进行了分析和研究。当光学系统的主镜和第三镜面形的RMS值优于λ/10(λ=632.8nm)时,对主镜和第三镜进行共基准装调和测试,并进行背板一体化装嵌,然后利用离子束对其进行一体化共基准加工。结合工程实例,对一大口径非球面系统口径为724mm×247mm的非球面主镜和口径为632mm×205mm的第三镜进行了共基准加工与检测,最终利用离子束共基准一体化精抛光得到主镜和第三镜面形的RMS值分别为0.019λ和0.017λ,满足光学成像。     

用计算全息图校正非球面的畸变

针对用计算全息图(CGH)对非球面进行检测时出现的非对称畸变,分析了3种基本的畸变模型,提出了一种有效的校正非对称畸变的方法.该方法采用较少的拟合参数即可实现对非对称畸变的精确校正,从而可以较大程度地减少畸变校正所需要的数据点对,避免过度拟合效应.通过光学仿真模拟分析了整个干涉仪系统的畸变,并利用以上方法对畸变进行了校正.仿真结果显示,畸变校正的相对残差小于0.2％.最后,设计并制作了处于离轴工作状态的CGH,并用此CGH对非球面进行了检测.利用上述畸变校正方法对测量的非球面面形进行校正,并用校正之后的结果进行加工迭代,最终非球面面形的收敛精度达到1.8 nm(RMS),得到的结果验证了提出的畸变校正方法的可靠性.     

应用旋转法实现大口径非球面反射镜零重力面形加工

为了在地面制造环境下实现大口径空间非球面反射镜的零重力面形加工,建立了基于重力卸载的高精度旋转检测工艺方法。首先对N次等间隔旋转法的基本原理进行了介绍,并结合一块Ф1 290mm ULE材料的非球面反射镜加工实例,分别给出了旋转法实施环节中的旋转角度和偏心误差控制方法,实际角度误差和偏心误差分别优于0.1°和0.1mm。然后,在低精度阶段采用了3次旋转法对检测结果进行处理,主镜面形精度快速收敛至0.029λ-RMS;同时由于应用旋转法而导致镜面上的对称性误差累积放大,进行了针对性去除,面形精度进一步收敛至0.023λ-RMS。最后,采用了6次旋转法对检测结果进行处理并指导光学加工,反射镜6个方向下的实测面形精度为0.012λ-RMS,去除重力变形误差后面形精度达到了0.010λ-RMS,该面形可以认为是卫星入轨后零重力空间环境下的反射镜面形。文中所述加工工艺方法不仅适用于米级口径,还适用于更大口径空间非球面反射镜零重力面形的高精度加工。     

精研磨阶段非球面面形接触式测量误差补偿技术

在对高精度非球面光学元件进行磁流变抛光制造过程中,为了提高达到最终要求的15～30 nm(方均根值)光学级面形精度的加工效率,必须经过非球面面形快速修正的精研磨过程。针对精研磨阶段的面形误差数字化技术进行了深入分析,建立了分离影响误差收敛精度的线性误差矩阵,并借助于一块具有中心遮拦孔的同轴抛物面反射镜进行验证,结果表明所建立的倾斜误差分离矩阵对于指导非球面研磨阶段的面形检测具有明确的效果,能够提供该阶段待检测工件面形的准确信息,保证了研磨阶段检测与加工的密切衔接,缩短了进入光学抛光阶段的周期。     

离轴非球面CGH高精度检测技术

为了实现离轴非球面高精度定位、光路对准及面形检验,针对离轴非球面的特点,提出了一种使用CGH技术实现离轴非球面高精度光学检测的方法,将被检非球面倾斜平移后作为轴上自由曲面进行     

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.     

大型望远系统波前检测中的波前误差修正

在大型望远系统的波前检测中,固定着五角棱镜的运动平台沿并非严格平面的导轨平台移动时,五角棱镜会发生微偏转产生扫描激光束转向的波前误差。用渥拉斯顿棱镜型双频激光干涉仪实时测量五角棱镜的运动误差,计算扫描激光束入射望远系统子孔径时的波前误差,修正此波前误差得到子孔径范围内望远系统自身的波前。     

一种中小口径非球面元件数控抛光技术

基于自主设计研制的FSGJ-3型非球面数控加工中心,针对口径φ108 mm凸非球面透镜(曲率半径R＝318 mm,k=－3),研究了非球面粗抛光工艺、精抛光工艺、抛光设备、磨料以及相关工艺参数,提出了规范的中小口径非球面加工的工艺方法和新型轮式抛光技术,实现了中小口径非球面元件的数控快速精密铣磨成型,且保证了光学零件具有较高的面形精度。抛光后元件面形精度达到0.306 λ(PV)、0.028λ(RMS) (λ=0.632 8μm)。满足了在光学系统中使用非球面零件,明显改善像质,提高光学特性,减少光学零件数目,从而简化系统结构,减小系统体积,减轻系统质量的目的。     

基于环形子孔径拼接法检测非球面研究

介绍了基于点衍射干涉仪的环形子孔径拼接检测非球面的理论和方法,分析了其基本原理,相对传统非球面检测方法,这种方法可以有效避免高精度补偿器件的使用,它通过不同曲率半径的球面波前来匹配被测非球面的不同同心环带区域,然后通过拼接算法重构整个非球面表面。在对一非球面的仿真测试中,测量的PV值为λ／131,RMS值为λ／830（工作波长为632．8nm）,试验表明：该算法是切实可行的,具有较高的精度。     

离轴非球面超精密磨削加工几何模型的探讨

在用来加工轴对称非球面的二轴联动超精密数控机床的工件主轴上安装可以精确给出旋转角度的码盘，采用柱坐标加工方式进行离轴非球面的超精密磨削加工。在给出离轴非球面方程的基础上，给出数控加工离轴非球面的相应的几何模型。计算机仿真验证了该加工方法的简便性与可靠性。该加工方法可以降低设备投入，提高生产效率。     

微机形成的非球面干涉图

介绍一种新的非球面检测方法。用微机技术，对偏离球面很小的非球面作模拟非球面的干涉，获得理想的非球面干涉图。用模拟的理想干涉图作“样板”，使高次非球面的面形在激光球面干涉仪上进行精确测量成为可能。提供了四种类型小非球面度的高次或二次非球面干涉图。给出了几个在CQG一1型激光球面干涉仪上作出的测量结果。其测量精度约为0．5λ。     

液晶空间光调制器对真实人眼畸变波前的校正研究

目的:本文对一个用于人眼畸变波前探测和校正的自适应光学系统的性能进行测试和研究。方法:沙克-哈特曼波前探测器,高分辨率的液晶空间光调制器分别被用来探测和校正人眼的畸变波前。结果:对近视500度的人眼进行自适应校正后校正精度达到波前残差的均方根误差为0.013个波长（=0.808 nm）。眼底原来模糊的细胞可以被清晰分辨。结论:液晶空间光调制器可以有效校正人眼畸变波前,达到提高成像质量的目的。     

全息平面变间距光栅刻线弯曲程度分析

简述了全息变间距光栅的几何理论,研究了不同记录参数情况下的刻线弯曲程度。给出了用于评价光栅刻线弯曲程度的表达式,并推导出了它的积分形式,使计算效率提高了2~3倍。结果表明:球面波与非球面波干涉得到的光栅线条并不一定比球面波干涉得到的线条要平直。     

使用红外干涉仪测量非球面面形

提出用红外干涉仪在长波工作(λ=10.6μm)的优点检测非球面面形。首先,通过移相算法,使用泰曼型红外干涉仪测量出非球面与标准拟合球面之间的波像差;然后,根据非球面的矢高方程计算出非球面与标准拟合球面之间波像差的理论值,通过比较这两个值,计算出非球面的面形偏差。实验结果表明,使用红外干涉仪测量的非球面与标准拟合球面之间的波像差为8.64μm(PV),与理论波像差(8.11μm)比较接近,测得非球面面形偏差为1.20μm(PV)。为了验证这一方法的准确性,使用计算全息图(CGH)作为补偿镜在可见光干涉仪上测量了同一块非球面,两者测量结果比较吻合。结果表明,此方法有比较强的通用性,可以用于非球面在加工过程中的测试。