子孔径干涉拼接测量非球面的模型分析

针对非球面波前本身带有波前误差的特点和测量中由于装调误差而带来的新的波前误差,提出基于多阶波前误差校准实现子孔径间重叠区不匹配度最小化的方法,建立待拼接的子孔径间相位关系模型;应用逐步回归法确定拼接测量中各波前误差对拼接精度影响的权重,进一步得到优化的子孔径干涉拼接测量（SSI）非球面的测量模型,并且获得较好的波面重构结果。仿真分析表明,理论上该测量模型的拟合精度高于传统测量模型,进一步仿真测量实验表明,基于波像差校准的拼接测量模型能够满足高精密非球面测量的要求。     

基于波面面形的滤波计算

为提高光学干涉测量的精度,研究了用来消除干涉条纹图噪声的滤波算法。讨论了不同波面和不同干涉仪噪声下不同滤波方法的滤波效果。考虑干涉仪噪声对条纹图的影响与检测中的不同波面情况,基于泽尼克多项式原理用matlab仿真法建立了离焦、像散、彗差、球差4种不同的干涉条纹图,计算了滤波后不同波面面形的PV值和GRMS值差别的大小。结果表明:同种噪声与滤波器情况下,在离焦、像散、彗差、球差4种面型中,滤波后球差波面的PV差值最大,高达0.11λ,与在乘性噪声下其它波面的最高PV值0.08λ相比,滤波效果较差;滤波后像散波面的PV差值最小,除乘性噪声中值滤波情况外,PV差值均在0.05λ以下,最低达0.01λ,滤波效果较好。此外,彗差波面滤波情况要略优于离焦波面。滤波器中,低通滤波稳定性高,PV差值局限于0.01λ~0.04λ,滤波效果相对好;而空域滤波后波面的PV差值最高达0.09λ,但噪声针对性更好。     

显微物镜数字剪切波面像差评价仪

本文介绍了所开发的显微物镜像质评价仪,它利用数字波面剪切干涉技术实现显微物镜轴上、轴外单色波像差的实时检测,提出了用有限元解析二维剪切波面的新算法并应用于该评价仪中,最后对实验所测得的数据进行了对比分析,其精度可达λ／２０。     

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。     

用于子孔径拼接干涉系统的机械误差补偿算法

针对拼接干涉检测系统机械定位精度引起的各子孔径间的相对定位误差,提出了含定位误差补偿项的全局最优化拼接算法。介绍了该算法原理,从理论上分析了该算法拟合出的平移和旋转定位系数的精度。结合MetroPro和Matlab软件仿真模拟实验,分析了机械定位误差对拼接检测精度的影响。实验表明:拟合出的平移定位系数精度高于旋转定位系数精度,与理论分析一致;相对于一般算法,该算法对机械误差有较强的免疫力。在搭建的拼接检测装置上检测了口径为150mm的平面镜,结果显示:拼接结果与干涉仪直接检测的全口径相位残差的分布峰谷值(PV)为0.015 30λ,均方根值(RMS)为0.001 570λ,得到的结果十分接近,验证了该算法稳定可靠,能够合理有效地补偿机械精度引起的子孔径定位误差。     

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。     

采用相移干涉原理的平面度测量系统误差分析与校正

相移干涉法具有非接触、快速和高精度等优点,采用实验室组建的相移干涉系统进行平面度测量时,会产生280nm左右的测量误差。通过对系统误差的分析,发现由扩束器产生的波像差是测量误差的主要来源。为了校正该测量误差,采用Zernike多项式拟合波前像差,然后在平面度测量时扣除该数值拟合结果。实验结果表明,这种误差校正方法可以使λ/4平面反射镜的测量结果从误差校正前的320nm左右减小到120nm左右。     

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。     

重力对空间相机系统波像差影响的光机集成分析与验证

对空间离轴相机在重力载荷作用下的系统波像差变化进行了集成仿真分析,同时研究了分析结果的精度。介绍了集成仿真分析技术的基本流程和关键技术,对比分析了ZERNIKE多项式拟合法与形函数插值法两种面形畸变转换接口算法的优劣。介绍了常用的两种形函数构造方法的基本原理,基于面积法构造形函数得到了光学元件面形畸变的接口文件。最后,在相机的光机结构装调完毕后,对系统波像差在重力载荷作用下的变化进行了测试。测试结果表明,该空间相机3个视场系统波像差的变化量分别为0.029 8λ(-1视场)、0.019 4λ(0视场)、0.052 3λ(+1视场),与分析结果基本吻合。3个视场分析结果的误差分别为0.002 4λ(-1视场)、-0.000 9λ(0视场)、0.007λ(+1视场,)均小于0.01λ,满足工程设计的要求,验证了集成仿真分析结果的准确性。此外,通过集成分析技术定量得到了不同影响因素对系统波像差的影响,基于此优化设计光机结构,改善了重力对空间相机3个视场系统波像差的影响。     

子孔径拼接干涉的快速调整及测量

考虑高精度子孔径拼接干涉测量技术对自动化拼接的要求,提出了一种子孔径零条纹自动快速调节方法。分析了干涉条纹数量对拼接误差的影响,分析显示:当子孔径干涉条纹数量少于5条时,干涉仪回程误差小于λ/50(PV值)。对子孔径拼接测量装置进行了结构优化,提出了拼接位移台角位移偏差自动补偿方法,实现了各个子孔径的零条纹测量,进而控制了子孔径拼接的累积误差。对450mm×60mm长条镜进行了子孔径拼接干涉测量,结果表明:自动测量结果与手动调整零条纹测量结果在面形分布上更为一致;但前者测量速度及测量效率都有所提高,测量时间平均减少5min。提出的方法不仅能完成干涉拼接测量装置的自动定位及自动快速调整,还提高了测量重复性与检测效率。     

干涉仪成像畸变引起测量误差的校正方法

根据光学系统的波像差理论和干涉检测原理,分析了干涉仪系统的成像畸变对测量结果的影响,提出了对干涉仪系统的成像畸变进行标定和校正的方法.重点讨论了被测面的摆放存在倾斜和离焦两种情况下产生的测量误差,并提出了误差校正方法.实验中对同一个被测面进行多次测量,结果显示,干涉图样为3个条纹时的面形测量结果为30.96nm PV,...     

平面光学元件中频误差的磁流变加工控制

为了利用磁流变加工实现对大口径平面光学元件波前中频误差的控制,研究了磁流变抛光去除函数的频谱误差校正能力和磁流变加工残余误差抑制方法。首先,比较了模拟加工前后元件中频功率谱密度(PSD1)误差和元件PSD曲线的变化,分析了磁流变去除函数的可修正频谱误差范围。然后,利用均匀去除方法分析了加工深度、加工轨迹间距和去除函数尺寸等磁流变加工参数对中频PSD2误差的影响,提出了抑制中频PSD2误差的方法。最后,对一块400mm×400mm口径平面元件的频谱误差进行了磁流变加工控制实验。实验显示:3次迭代加工后,该元件的波前PV由加工前的0.6λ收敛至0.1λ,中频PSD1误差由5.57nm收敛至1.36nm,PSD2由0.95nm变化至0.88nm。结果表明:通过优化磁流变加工参数并合理选择加工策略,可实现磁流变加工对大口径平面光学元件中频误差的收敛控制。     

大数值孔径物镜的波像差测量及其特殊问题

设计了基于振幅型棋盘光栅的二维剪切干涉仪,用于测量大数值孔径(NA)物镜的波像差。研究了棋盘光栅剪切干涉仪的基本原理,分析了大数值孔径物镜波像差测量时涉及的几个特殊问题。首先,根据棋盘光栅的远场衍射函数分析了棋盘光栅的衍射效率和衍射级分布,给出了剪切干涉图数据的处理方法。接着,根据球面光瞳坐标与平面探测器坐标的投影关系,分析了光瞳坐标畸变的影响;采用几何光线追迹方法,分析了光栅方程非线性对系统误差的影响。最后,推导了物镜光瞳边缘的相对照度与数值孔径的关系。试验结果表明:采用相同光瞳坐标,NA为0.6的显微物镜的波像差测量重复性(3σ)可达到3.7 mλ。对大数值孔径物镜测量过程中涉及的特殊问题进行了探讨,结果提示:测量大数值孔径物镜的波像差时,需要考虑光瞳坐标畸变、光栅方程引入的系统误差、光瞳边缘照度衰减的影响等。     

大口径SiC轻量化主镜热变形的定标

为了准确地预算出大口径SiC轻量化主镜镜面的温度变形,研究了不同热模式下SiC轻量化主镜镜面面形的定标和计算方法.将SiC轻量化主镜上的温度传感器在轴向厚度方向上进行分层处理,对每层上的温度分布采用准Zernike多项式进行拟合.以4 m SiC轻量化主镜为例,采用有限元法分别对准Zernike前9项温度模式(18种温度场)下的镜面变形进行定标计算,得出各种单位载荷作用下轻量化主镜镜面的最大变形以及面形误差PV值和RMS值.计算结果表明:准Zernike第一项模式、单位载荷作用下镜面变形最大,其面形误差RMS为278.3 nm.采用最小二乘法对各种温差场下的镜面误差进行准Zernike多项式拟合,获得了准Zernike像差项的系数.采用最小二乘法拟合计算出镜面变形误差产生的准Zernike像差项的系数,结果表明,18种温度场下产生的像差形式主要有:平移、倾斜、离焦、彗差和像散.     

大型光学设备检测中大口径平行光管波像差的消除

使用大口径平行光管检测大型光学设备或元件时,平行光管的自身误差会影响检测结果,故本文提出了一种消除光学检测结果中平行光管引入误差的新方法。该方法使用干涉仪获取平行光管和光学检测系统的出射波前信息并以37项Standard Zernike Phase多项式进行拟合;通过两组系数相减分离平行光管引入误差,再配合ZEMAX中建立的等效被检光学系统的仿真模型模拟真实系统的出射光锥,最终获得被检光学系统真实的出射波前信息。利用ZEMAX中的光学系统模型验证了该方法在大口径光学检测工作中的可行性;使用焦距为1 597mm,口径为150mm的小型平行光管、焦距为50mm的光学镜头进行了实验。实验结果表明:使用该方法获得的被检光学系统出射波前与真实波前的PV值误差小于0.005λ,RMS值误差小于0.001λ,可以满足实验室中对被检光学系统成像质量参数检测的精度要求。     

大气相干长度的瞬时测量

由于差分像运动监测法测量大气相干长度需要多帧统计,本文应用波前结构函数法,提出了一种大气相干长度的瞬时测量方法。该方法通过Shack-Hartmann波前探测器测量单帧短曝光畸变波前的Zernike系数;然后减去光学系统初始像差的Zernike系数,去除倾斜项,计算波前结构函数;最后,与满足Kolmogorov湍流理论的大气短曝光理论波前结构函数进行最小二乘拟合,得到瞬时大气相干长度。利用湍流相位板构造了相应的测试系统,并进行了外场实测对比。结果表明:提出的基于波前结构函数法的测量结果与差分像运动监测法的测量结果基本吻合;不同格林伍德频率下,标准差与均值之比小于4.1%,稳定性较好;外场比对累计16个夜晚,得到的平均偏差小于0.45cm。该方法可以实现空间目标大气相干长度的单帧瞬时测量,并可用于观测站点的视宁度、自适应光学系统内部大气湍流强度和地基大口径望远镜主镜视宁度的监测。     

基于频域分析的抗振移相干涉测量

针对移相干涉测量中振动引起的移相误差和对比度变化,提出了一种从空间载波干涉图频谱中提取移相和对比度信息的方法。该方法通过分析载波干涉图频谱,从基带和边带中提取移相和对比度信息,运用最小二乘法补偿对比度变化并复原波前位相。最后采用构造平滑孔径函数对带有孔径的干涉图进行处理。数值仿真证明:提出的方法可以高精度检测移相量和对比度变化,能够有效补偿因对比度变化引起的位相复原误差。在频率为9Hz、幅度为0.5μm的简谐振动条件下实验验证了本文方法的实用性。结果显示:从受振动干扰的干涉图中复原平晶表面时,其复原误差PV值小于0.015波长。该方法无需硬件改动,有望为移相干涉测量应用于现场测量提供一种低成本的解决方法。     

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。