光学元件面形的环路径向剪切干涉检测方法研究

提出了将环路径向剪切干涉(CRSI,Cyclic Radial Shearing Interferometry)术应用于光学元件面形检测的新方法.设计了基于环路径向剪切干涉检测光学元件面形的光路系统.根据环路径向剪切干涉法的波前重建算法,模拟计算了任意波前的重建情况,同时在基于开普勒望远系统的环路径向剪切干涉仪上实际测量了一个已知光学元件的面形.结果表明,文中提出的波前重建算法和采用的光路系统可用于实际光学元件面形的准确检测,系统的重复性也得到了研究.     

部分补偿数字莫尔移相干涉的回程误差消除

为了实现非球面面形误差的高精度测量,研究了基于部分补偿原理的数字莫尔移相干涉技术中回程误差的消除方法。通过建立实际干涉仪和建模理想干涉仪,并运用数字莫尔移相干涉技术,获得实际干涉仪像面与被测非球面面形误差相关的波前;分析了该测量系统的误差,提出采用逆向优化法消除大面形误差时的回程误差实现被测非球面的面形误差检测。实验结果表明:与轮廓仪结果比对,面形误差较小时二分之一法重构面形误差,峰谷值和均方根值分别优于/20,面形误差较大时运用逆向优化法消除回程误差,重构的非球面面形误差峰谷值和均方根值偏差均优于/5。基于逆向优化法的部分补偿数字莫尔移相干涉非球面检测,有效消除了大面形误差时的回程误差,可实现高精度的面形误差重构检测。     

大曲率光学零件面形的空间载频外差干涉术检测

光学零件表面面形检测的结果直接影响光学零件的质量,介绍了一种在平面干涉仪上检测大曲率球面光学零件面形的方法,通过对干涉图进行预处理、FFT提取相位、解包裹,并采用Zernike多项式拟合,得到被检球面相对平面的面形函数,与指定的球面相减后,再一次进行Zernike多项式拟合,得到了被检面相对于指定球面的面形函数,由此计算出被检球面的面形误差PV值、RMS值,N与ΔN,并模拟出了用球面干涉仪检测时的干涉条纹.该方法克服了接触检测的缺点,精度高,PV值的标准差σ优于λ/100,RMS值的标准差σ优于λ/700,而且可通过软件设定检测任意大曲率光学零件,为大曲率半径光学零件的检测提供了一种适用的方法.     

光纤点衍射干涉仪调整方法与条纹分析

随着对高精度光学元件的需求不断增加，对光学检测精度的要求也随之提高，合理可行的检测方法对光学加工的发展至关重要。本文在已建立好的点衍射干涉仪的基础上，对仪器的调整进行分析，提出合理的调整方案，得出被检波面面形的干涉图，该干涉仪由光纤直接提供高精度的参考波面，与被检波波面发生干涉，其特点是结构简单合理、易于调整耦合输出、条纹记录迅速，受外界环境影响较低，介入误差较小，有利于进一步的拟合分析。     

二次泽尼克多项式拟合在检测大曲率零件面形中的应用

研究了一种在平面干涉仪上检测大曲率球面光学零件面形的方法, 将在平面干涉仪上得到的干涉条纹通过图像预处理、快速傅里叶变换(FFT)提取相位、解包裹、泽尼克(Zernike)多项式拟合等处理得到被检球面相对标准平面的面形, 与指定的标准球面相减后, 再一次Zernike多项式拟合得到被检球面相对于指定标准球面的面形, 计算出被检球面的面形误差峰谷(PV)值、均方根(RMS)值及工程上常用的光圈N与局部光圈ΔN, 并模拟出用球面干涉仪或球面样板检测时的干涉条纹, 克服了接触检测的缺点, 为高精度、大曲率半径光学零件表面面形的检测提供了一种适用的方法。     

用于在线检测的紧凑型多测量模式干涉仪

光学干涉仪由于高精度、全口径、非接触特点在光学元件的检测中具有极其广泛的应用。针对光学元件加工在线检测需要,提出了一种紧凑型的多测量模式瞬态干涉仪。该系统可同时实现单波长激光干涉、多波长激光干涉以及LED干涉显微测量等多种工作模式,以分别满足不同动态范围宏观面形以及表面粗糙度等显微结构的干涉检测。针对在线检测应用中复杂的环境振动影响,系统采用偏振相机来实现瞬态的偏振移相波前检测。为验证系统方案的可行性,对测量系统的主要误差因素进行了分析,并对不同工作模式下的金刚石车削机床在线检测结果与Zygo激光干涉仪和Zygo光学轮廓仪进行了比对实验,同时也利用多波长技术对自由曲面进行了在线检测。结果表明该系统可实现高精度的多测量模式,并且还可以满足大动态范围波前测量要求。该系统结构紧凑,整体尺寸仅为195 mm×160 mm×65 mm,极其适合车削机床的在线安装及检测。同时系统基于瞬态波前检测,具有对环境扰动不敏感的特点,在机床对中工具在线调整以及加工元件等在线检测中具有广泛的应用前景。     

基于Matlab和VC混合编程的三面互检程序设计

研究了光学平面绝对检验的干涉测量方法:三面互检法。该方法需要三个被测平面,两两组合测量,就能够得到被测平面在通过其中心两个垂直方向的线轮廓数据。根据Matlab和VC混合编程思想,设计了带界面的三面互检计算软件,能够对任何一台干涉仪所采集到的实验数据进行快速计算,并进行了实验验证,得到了所测干涉仪参考平晶的绝对面形,相对于Zygo软件计算误差为3%。     

非球面面形精细重构方法研究

针对非球面反射镜在抛光初期干涉仪不能全口径检测面形误差的问题,提出一种三坐标测量机(CMM)和数字干涉仪组合测量以实现全口径波前复原的方法.将CMM与干涉仪测量数据组合,即面形误差以干涉测量为主,干涉检测不能复原的局部波前采用CMM测量数据进行精细重构,从而获得可用于数字化加工的全口径面形误差,并最终达到非球面镜全口径干涉检测.采用该方法对Φ为540 mm的离轴非球面反射镜在精磨后期进行数据组合补偿,成功实现了反射镜从精磨阶段到抛光阶段的全口径波前检测,从而证明了该方法对实现非球面镜全口径检测有效可行.     

激光工作物质的高精度检验

一、引言 光学干涉仪是测量光学元件面形、评价透镜质量最常用的手段。七十年代人们将微型电子计算机及相位探测技术应用到干涉计量上,使干涉条纹的数据处理成为独立系统而将高精度光学元件的检验发展到一崭新阶段。美国贝尔实验室首先研制成带微型计算机的条纹扫描干涉仪,使干涉条纹的测量精度由λ/10提高到λ/50～λ/100。我们运用MarkⅢ型干涉仪测量了各种光学元件及光学材料的质量,对仪器的性能进行了分析和讨论。 二、实验结果和讨论 Mark Ⅲ型激光数字波面干涉仪是将位相测量技术应用于费索干涉仪上,利用实时相位同步检     

基于ISO10110-5的面形评价参数研究

现在国外商用ZYGO干涉仪可提供一些基于ISO10110-5的面形评价参数,而国内的自制干涉仪还没有这项功能.IS010110-5中提出这些面形评价参数的计算可以通过波面分解的方法实现.运用Gram-Schmidt最小二乘法拟合得到Zernike多项式系数,再从包含被测信息的原始波面中依次减去各种表面面形偏差,就可实现对这些参数的定量分析.通过与ZYGO干涉仪的输出对比,验证了自编拟合程序所得数据的有效性,而通过波面分解得到的各种干涉图也有益于光学加工者分析偏差原因和器件应用后果.     

自聚焦透镜的长度对斐索干涉仪面形测量的影响

讨论了自聚焦透镜的长度对自聚焦透镜斐索干涉仪面形测量的影响 ,给出了面形干涉图中相邻干涉条纹半径的平方差随自聚焦透镜长度和面形曲率半径变化的三维曲线、待测面 R→∞时的二维曲线以及自聚焦透镜的长度对面形测量范围的影响 ,并用平面作待测面给出实验值 ,验证了实验与理论的一致性     

用于纳米测量的单频偏振激光干涉仪的光路集成方法

提出了一种正交偏振干涉仪中光学元件位置固定与性能检测的方法,用于亚纳米级测量分辨力激光干涉仪的光路系统集成及其性能评价。构建了光学干涉仪在线检测与评价系统,基于强度检测方案,实时地对干涉仪输出的四路偏振光信号强度、干涉条纹可见度以及各路干涉信号之间的正交状态进行检测,并完成了小尺寸正交偏振激光干涉仪的光路集成;分别对分立式与集成式干涉仪的稳定性和微弱振动信号测量进行了对比实验。实验表明,集成式激光干涉仪的测量分辨力可达10 pm/Hz～(1/2),信噪比优于分立干涉仪10 dB,稳定性明显提高。     

图像复原在波前功率谱密度计算中的应用

移相干涉术易受环境振动的干扰,获得的波前相位的干涉图信息不完整,无法准确给出光学元件表面的频谱分布信息。中值滤波技术是一种既能去除噪声,又能较好保护图像边缘细节的非线性技术,通过改进中值滤波技术对波前相位数据做了复原处理,比较了数据复原前后的波前功率谱密度,结果表明采用这种图像复原方法可以有效地表达光学元件表面的频谱信息。     

使用红外干涉仪测量锗材料折射率均匀性

介绍了运用工作波长为10．6μm的红外干涉仪测试红外光学材料(锗晶体)的折射率均匀性的方法。运用传统的干涉法检验光学材料的折射率均匀性时，由于锗晶体太软，表面不易加工。其表面面形难以满足测试要求。为了消除面形偏差对折射率均匀性偏差测试的影响，使用可见光移相式数字平面干涉仪精确测试被测样品的面形偏差，该干涉仪具有很高的测试精度，其测量不确定度可以达到λ／50(λ=0．633μm)。然后在红外干涉图数据处理中将样品的面形偏差扣除，得到样品折射率的偏差分布。对锗单晶材料进行了实际测试。     

用于检测三次位相板的新型零位补偿器的设计

三次位相的波前编码位相板是一种非旋转对称光学元件。对于其面形及整个元件的检测,虽然目前通用的方式还是采用轮廓仪的接触式测量,但采用非接触式的干涉测量,具有快速、简洁、可避免待测元件的面形不受损伤等优点。非接触式的测量方法,可以采用计算全息图进行零位补偿,但计算全息图的制作价格相对较高。我们根据三次位相波前编码板的面形特点,得到一种新型的零位补偿方式,并给出了设计实例,并进行了实验验证,该补偿器全部由球面镜组成,易于加工,且成本较低。     

Talbot剪切干涉仪及其应用

本文提出了提高Talbot剪切干涉仪检测精度的原理及方法。给出了棱镜、透镜等光学元件及相位物体的检测及其各级滤波剪切干涉象。最后给出了与理论一致的实验结果。     

高精度曲率半径测量研究

由于影响曲率半径测量精度的因素众多,因此高精度曲率半径测量一直是光学检测中的难题之一。为了实现球面光学元件曲率半径的高精度测量,提出通过环境补偿和提高对准精度的方法来减小测量误差。首先从理论的角度分析了影响曲率半径检测精度的主要因素,并给出了在曲率半径测量过程中减小测量误差的方法以及相应的补偿方式。基于此分析,在高精度实验室中采用菲佐干涉仪结合高精度测长干涉仪的干涉测量方式,分别对典型的凸球面和凹球面光学元件进行了曲率半径检测。实验结果表明:通过环境补偿和提高对准精度的方法,曲率半径检测的复现性优于0.2μm,实际测得的相对误差分别为0.67×10~(-6)(2σ)和0.60×10~(-6)(2σ),实现了高精度曲率半径测量。     

波面数字干涉仪检测技术及其在光刻镜头生产中应用

移相式波面数字干涉仪是国际上八十年代出现的一种最先进的光学检测设备，它采用计算机图象处理技术对干涉图形进行实时动态采样处理，从而实现了光学面形的定量测量和形象化图形显示。本文介绍了我所用ＱＧＹ—１型激光球面干涉仪改造成的移相式激光波面数字干涉仪，在光刻镜头生产中的应用。     

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。     

空间同轴三反相机φ520 mm次镜的加工与检测

为了满足空间同轴三反相机对大口径凸非球面高精度的面形质量和精确的几何参数控制要求,提出以计算机控制确定性研抛工艺为核心的多工序组合加工及检测技术。在加工阶段,首先利用超声振动磨削技术对非球面进行面形铣磨,其次应用机器人对非球面面形进行快速研磨和粗抛,最后采用离子束修形技术实现非球面的高精度加工;在检测阶段,首先利用三坐标测量机对铣磨和研磨过程中非球面的面形及几何参数进行控制,进入干涉仪测量范围后,再采用Hindle球法对非球面光学参数进行干涉检测。结合工程实例,对一口径520 mm的凸双曲面次镜进行了加工及检测,其面形精度RMS为0.015（=632.8 nm）,几何参数控制精度△R误差为0.1 mm、△K优于0.1%,满足光学设计技术指标要求。