用非零位补偿法检测大口径非球面反射镜

研究了利用圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的方法,以实现非零位补偿法对大口径非球面的测量.分析和研究了该技术的基本原理,并基于齐次坐标变换和最小二乘拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型;分别开发了圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的算法软件;设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置,并分别利用圆形子孔径拼...     

子孔径拼接干涉法检测非球面

介绍了子孔径拼接干涉检测非球面的理论和方法,分析了其基本原理,基于齐次坐标变换、最小二乘法和Zernike多项式拟合建立了一种合理的拼接算法和数学模型。对一抛物面镜进行了五个子孔径的计算机模拟拼接实验,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-0.009 2 λ和0.0013 λ;全口径相位分布的PV值和RMS值的相对误差分别为-0.39%和0.44%。实验结果表明,利用子孔径拼接技术不需要零位补偿就能实现对较大口径非球面的测量。     

采用立体视觉的子孔径拼接测量工件定位

为了实现大口径光学元件的子孔径拼接干涉测量,提出了采用立体视觉进行光学元件位姿测量的方法,建立了基于双目视觉的子孔径拼接测量系统,对该系统的数学模型、测量原理以及基于四元数法的位姿变换矩阵求取方法进行了研究。首先,介绍了圆形子孔径拼接干涉测量的原理,并基于齐次坐标变换分析了其对工件定位的要求,接着引入了立体视觉辅助测量系统,建立了其通用测量模型,利用双目视觉获取不同子孔径测量时与工件刚性连接的特征点的三维全局坐标,在完成全部子孔径测量后利用四元数法求取各子孔径相对于全局坐标系的转换矩阵,然后利用优化拼接算法将各子孔径数据统一到全局坐标系下,完成大口径光学元件的全局测量。最后利用该系统实现了对口径为150mm平面和100mm球面的检测。实验结果证明,在本系统中,立体视觉系统平移定位精度优于0.1mm,转动测量精度优于0.01度,能够给优化拼接算法提供一个有效的初始值,且该方法能够快速给出各子孔径间的相对坐标变换且在其视场范围内不产生误差累积,方法简单实用,稳定可靠。     

平面子孔径拼接测量实验研究

通过椭圆形口径（长轴225mm,短轴161mm）SiC平面反射镜的全口径面形测量加工实验,验证了一种新的子孔径拼接测量算法—子孔径拼接迭代算法（SASL算法）的有效性。首先用100mm口径平面平晶的子孔径拼接测量与全口径测量的对比实验,确定了拼接测量相关参数及测量装置的精度指标。在此基础上设计了SiC平面反射镜的子孔径拼接实验,在搭建的拼接装置上实现了五次离子束迭代加工过程中和最终的全口径面形测量。这是国内首次将子孔径拼接测量方法用于指导加工实践,加工过程中的测量结果为面形误差修正提供了准确的数据,保证了最终全口径面形误差快速收敛到RMS 50nm。实验证明,SASL算法能大大放宽拼接装置对准运动的精度要求,并减少拼接过程对拼接结果的影响。     

拼接干涉测量技术

利用相关拼接技术实现光学波面检测，可以用较小的测量口径实现较大面积的测量，并保持高的测量精度、高的空间分辨率和系统的低成本。获得高精度的子孔径波面分布和有效的拼接方法是这一技术的关键。简述了采用相移技术测量子孔径波面的关键技术。两个子孔径之间的拼接是比较容易的，但采用两两拼接的方法会有很大的误差累积。因此采用了具有误差均化作用的拼接方法，该方法本质上是一种并行的方法。文中简述了该拼接方法的数学模型和求解方法。最后给出了拼接的实测结果。     

像差修正拼接测量非球面精度评定与分析

摘 要：针对子孔径干涉像差修正拼接测量非球面中拼接精度分析问题,提出了一种基于t分布统计的拼接精度分析评定方法。根据测量原理及拼接模型特点利用残差分析对模型进行回归诊断,使用因变量预测算法用t分布统计模型对拼接精度进行估计与分析。实验结果不确定度分析得：按t分布评定拼接结果的扩展不确定度为 ,常规的系统误差检验方法评定拼接结果的扩展不确定度为 ,两种方法结果基本一致;基于t分布统计的方法在保证评定结果准确度的前提下,克服了比较分析法的不确定性,解决了正态分布统计法中置信系数k由于存在与置信概率的固定关系而不能反映子样标准差可靠性对置信概率的影响问题。     

像差修正拼接法测量非球面精度的评定

针对用子孔径干涉像差修正拼接法测量非球面的拼接精度问题,提出了一种基于t分布统计的拼接精度分析评定方法.根据测量原理及拼接模型特点,利用残差分析对模型进行回归诊断,使用因变量预测算法和t分布统计模型对拼接精度进行估计与分析.实验结果显示:按t分布评定拼接结果的扩展不确定度为0.362 3λ(0.229 μm),而常规的系统误差检验方法评定拼接结果的扩展不确定度为0.234 μm,两种方法结果基本一致,表明基于t分布统计的方法在保证评定结果准确度的前提下,克服了比较分析法的不确定性,解决了正态分布统计法中置信系数k不能反映子样标准差可靠性对置信概率的影响问题.     

采用立体视觉实现子孔径拼接测量的工件定位

为了实现大口径光学元件的子孔径拼接干涉测量,提出了采用立体视觉进行光学元件位姿测量的方法,建立了基于双目视觉的子孔径拼接测量系统。介绍了圆形子孔径拼接干涉测量的原理,基于齐次坐标变换分析了其对工件定位的要求;引入了立体视觉辅助测量系统,建立了通用测量模型,利用双目视觉获取不同子孔径测量时与工件刚性连接的特征点的三维全局坐标,在完成全部子孔径测量后利用四元数法求取各子孔径相对于全局坐标系的转换矩阵,然后利用优化拼接算法将各子孔径数据统一到全局坐标系下,完成大口径光学元件的全局测量。最后利用该系统实现了对口径为150mm平面和100mm球面的检测。实验结果证明,在本系统中,立体视觉系统平移定位精度优于0.1mm,转动测量精度优于0.01°,可为优化拼接算法提供一个有效的初始值,该方法能够快速给出各子孔径间的相对坐标变换且不产生误差累积方法简单且可靠。     

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。     

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。     

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。     

大口径拼接式合成孔径光学系统设计

在三反消像散系统基础上,介绍了一种大视场长焦子孔径合成光学成像系统的设计方法。在对子出瞳波前利用菲涅尔衍射直接积分叠加的基础上进行像质评估,以实现对拼接镜面的全面仿真和分析;用非序列面误差分析和分配的结果修改初始结构;通过高次曲面平衡象差,并在结构优化时使用较小F数的系统,增加结构对子镜的失调的误差冗余度,迭代完成系统的最终设计。设计了一个同轴三反子孔径合成光学成像系统,焦距44m,f/8,7子镜拼接,视场角达0.6°×0.06°,通过不断迭代,获得了较好的结构和成像质量。     

大口径碳化硅材料凸非球面反射镜检验技术

为了实现某大口径碳化硅材料凸非球面反射镜检验,研究了无像差点法以及补偿检验法方案,经过方案比较优选,确定选用补偿检验方案并专门设计了高精度大口径非球面补偿器,设计精度为PV：0.0082,RMS：0.0029（=0.6328nm）,采用会聚光束、使用大口径数字干涉仪进行凸非球面正面检测,采用该方法进行检验凸非球面反射镜最终检测结果为0.022（RMS）本文所述补偿器的设计方法和要求具有普遍性,设计结果也可用于同类型大口径凸非球面检验用补偿器的设计。采用该方法提高了凸非球面检测精度,并且在凸非球面镜的材料选择、结构设计、支撑方式等方面提供了更多的优化空间,为新型光学材料在凸非球面反射镜的应用铺平了道路。     

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。     

波前像差测量中的人眼定位误差分析

在描述Hartmann-Shack波前传感器原理的基础之上,研究了在测量波前像差过程中人眼定位误差所引起的测量误差,给出了光学系统下与人眼视度相关的误差数学表达式,分析了在满足眼镜镜片国家标准(GB 10810-1996)的条件下人眼定位可允许的误差范围,这对于改善和提高Hartmann-Shack测量人眼波前像差的精...     

人眼波前像差测量中的照明系统设计

使用Hartmann-Shack传感器测量大像差人眼时,细平行光照明会导致波前像差测量的精度下降。设计并实现了一种自动的可调照明系统,在入射光路中加入了一个位置可以自动调整的准直透镜,调整这个透镜的位置可以准确的改变照明光的光屈度,精密电控平移台可以对准直透镜的位置进行快速准确扫描定位。实验中对模拟人眼像差进行了测量,分别用细平行光照明和自动可调照明系统的实验结果进行了对比。实验结果显示,使用自动可调照明使传感器获得图像的信噪比由2:1提高到10:1,对近视-5D模拟人眼测量的结果也由-4.285D±0.208D提高到-5.041D±0.157D,结果显示,使用自动可调照明系统提高了Hartmann-Shack传感器图像的信噪比,使测量结果更加准确。     

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,...     

子孔径合成光学成像系统像质评价研究

子孔径合成光学成像系统的出瞳波前是离散的,需要同时引入波象差和衍射光学理论,拟合最佳高斯参考球面,计算出瞳波前和波象差,并通过对像面的衍射积分,评估系统像质。对比了两种像质评估的方法,其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参数拟合Zernike多项式衍射直接积分法计算像面复振幅分布,其二是对子出瞳波面衍射直接积分在像面的复振幅的叠加。设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统,在此基础上用ZYGO GPI XP干涉仪验证并对比了使用两种方法的对像质计算的特点。结果表明,子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高,但计算量大;在衍射限附近,前者的拟合精度也能满足像质的定性评估要求,且计算量较小。     

波前像差引导的角膜切削模型及实现技术的研究

对波前像差概念和表示方法做了必要的叙述,深入研究了波前像差引导的角膜个性化切削模型,推出了角膜手术区域中角膜修正量的基本公式,给出了实现个性化像差矫正手术的软硬件框图.采用该模型引导的扫描频率为120Hz,光斑直径为0.9mm的准分子激光眼科治疗机做PMMA试验,对比传统的屈光不正矫正模型,在手术区域直径为6.5mm条件下,给出了近视、远视、近视散光各种情况下手术的最大切削深度和切削时间.试验结果表明,各种情况下角膜最大切削深度基本相同,波前像差矫正切削模型的切削时间稍大,PMMA板切削效果良好.