采用奇偶函数法的平面面形绝对测量技术仿真分析

随着现代工业和科学技术的飞速发展,特别是近代大规模集成电路技术的不断提高,对系统精度的要求日益提高。在光刻系统中,越来越短的特征尺寸要求我们使用更高精度的光刻物镜。在这之前我们需要更高精度的检测技术来满足加工及系统集成的需要。高精度移相干涉仪的测量结果包含了待测面和参考面的误差,移相干涉测量法的测量精度受限于参考面的精度。绝对测量方法通过移除参考面的误差,从而达到提高测量精度的目的。回顾了光学平面面形绝对测量方法,重点描述了基于奇偶函数的绝对测量方法。分析了旋转角度误差对测量结果的影响,通过旋转更小的角度求出了高阶面形拟合分量,给出了求高阶面形拟合分量的通项公式。     

基于旋转平均补偿算法的旋转非对称面形绝对检测

旋转法是一种用于获得被测面旋转非对称面形的绝对检测技术。旋转平均补偿算法是在N次等间隔旋转的基础上增加一次不同角度的旋转测量,称为N+1次旋转法。通过附加的一次旋转测量,采用泽尼克多项式拟合求解旋转平均法的丢失面形。推导了理论计算公式,仿真分析了存在旋转角度和偏心误差时,补偿算法的有效性以及附加旋转角度对补偿面形计算精度的影响。验证实验的结果与仿真相符,表明在选择合适的附加角度之后,该算法可有效补偿丢失信息。与旋转平均法相比,只需增加一次旋转,就能得到更完整的面形,极大地提高了检测效率和精度,实验中补偿率达到61%,检测精度提高了约1倍。     

旋转平移法平面绝对检测的偏心误差修正

针对旋转平移法在检测过程中存在偏心误差的问题,提出一种基于三维面形的图像配准偏心误差修正方法.首先采用旋转平移绝对检测法获得旋转0°和旋转180°两个状态下被测镜的面形;然后利用三维面形数据构建相似度函数,实现被测镜面形在0°和180°状态下的配准,从而获得偏心误差.数值仿真计算结果表明,偏心误差修正前,残余面形的峰谷值为7.783 nm,均方根值为0.578 nm;偏心误差修正后,残余面形的峰谷值为0.034 nm,均方根值为0.004 nm.结果 表明该修正方法可行,可以有效提高旋转平移法的检测精度,为高精度光学元件面形的绝对检测提供重要参考.     

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%。     

基于频域变换的两平晶互检求解算法

提出了一种平面绝对检验的频域面形恢复算法。算法基于两平晶互检方法,对其中一个被测面增加不同旋转角度的测量。通过频域求解算法,可以恢复出被测面的三维绝对面形分布。该数值处理重建算法利用快速傅里叶变换(FFT)和线性滤波处理测量数据。将本文算法结果同传统Zernike多项式拟合算法结果进行了对比,结果吻合较好。3个面的最大PV(peak to valley)值偏差为0.027λ,最大RMS(root mean square)值偏差为0.003λ。实验结果表明,本文算法即使在高空间分辨率的情况下,误差传递也较低,同时计算效率较高。     

面向制造的光学面形超精密测量技术研究进展

超精密测量是光学制造的前提。高精度的光学面形测量仍然遵循零位检验原则，计算机生成全息图（CGH）是自由曲面等复杂面形零位检验所必需的补偿器。为此，面向制造过程，重点论述CGH补偿检验原理及其衍射级次的鬼像干扰、投影畸变校正、测量不确定度与绝对检验问题，探讨CGH补偿检验的局限与应对方法。针对制造过程中产生的动态演变局部大误差的测量难题，论述子孔径拼接测量、自适应补偿干涉测量方法，探讨加工原位干涉测量进展。最后，从超高精度测量与溯源、混合光学零件的宏微跨尺度测量、自主可控面形测量仪器及其原位集成三个方面对光学面形测量技术发展进行展望。     

一种超精密非球面在位测量方法

高面形精度非球面加工,离不开面形测量和误差补偿加工。离线测量容易导致工件装夹误差,并带来非加工时间增加。为解决这一问题,采用一种利用接触式的微小测头与激光干涉位移测量计相结合的在位形状测量装置,直接对磨削后的工件表面进行在位形状误差测量。介绍了该在位测量方法的原理及非球面测量过程,探讨了回转对称轴在半径方向的误差与测头倾角误差对测量误差的影响,并进行了补偿加工实验。对加工后的微小非球面进行了在位测量,并与超精密离线测量系统测量结果进行了比较。     

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。     

基于多点平均频率校正的多表面波长调谐移相干涉测量

为实现多表面干涉测量中强度叠加干涉信号的分离和相位解调,提出了一种基于频率校正的多表面波长移相干涉测量算法,可实现透明被测件各表面面形的同时重建。波长移相干涉技术可以根据各干涉谐波光程差(optical path difference, OPD)的不同使各表面干涉谐波具有不同的移相值,该差异为各信号分离和相位解调提供了基础。在现有的多表面测量技术中,往往通过被测件的腔长和光学厚度等信息对谐波频率进行粗估,但估计精度较低,且无法应对移相误差。因此,本文通过多点平均和频率校正实现了各干涉谐波频率的精确提取,能够有效消除异常值和加性高斯噪声(additive Gaussian noise, AGN)对频率求解精度的影响,并且仅通过干涉图之间的加权操作便可同时对各谐波相位进行解调,对比分析和实验结果验证了所提出的算法的可靠性。     

基于条纹反射法的平面镜面形测量

为了评价平面镜面形误差,采用基于条纹反射法的面形检测原理、通过平面镜法线偏移实现面形误差评价的方法。将正弦条纹投射至光屏,经被测平面镜反射至相机,通过小孔成像原理和四步相移法获得被测平面镜上一点的法线,并与经最小二乘算法面形重建的该点理论法线比较,获得该点法线偏移,利用法线偏移实现对平面镜的面形评价。对测量方法进行计算机仿真,以证明其正确性;搭建实验测量系统,并对某一款手机屏幕进行测量实验。结果表明,该测量方法的重复性精度优于1mrad,测量重复性高。该研究为玻璃面板等具有高反射特性的平面面形误差提供了参考。     

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。     

基于激光轮廓仪的非接触式钢轨廓形检测系统

传统钢轨廓形几何尺寸测量多以手工测量为主,基于激光轮廓仪的高精度廓形检测系统的应用可解决手工测量效率低、误差大的问题。新补充利用中值滤波法对激光轮廓仪采集到的廓形数据进行预处理;通过坐标平移和坐标旋转将坐标系归一化;然后通过二次拟合选择合适的特征点对廓形拼接匹配。经现场测试,钢轨廓形尺寸的重复测量误差小于0.1 mm,绝对测量精度最高可达0.014 mm,满足国家标准对钢轨廓形检测精度的需要,说明该方法有效提高了钢轨的检测效率。     

MEMS陀螺漂移误差抑制方法研究

MEMS陀螺漂移误差是影响惯性测量系统精度的主要误差源,针对这一问题,引入旋转调制方法和卡尔曼滤波方法,利用旋转调制方法抑制陀螺的常值漂移,利用卡尔曼滤波方法减小随机漂移,并进行了仿真和实验,对调制和滤波前后惯性测量系统的姿态角误差进行了对比,结果表明,利用旋转调制技术和卡尔曼滤波方法分别减小陀螺的常值漂移漂移和随机漂移后,由这两种漂移误差引起的姿态角误差明显减小,惯性测量系统的测量精度显著提高。     

天线相位中心暗室标定法远场条件研究

将有限测试距离引入的测相误差公式由一维辐射源拓展到二维口径辐射源.与传统相位方向图误差分析中只考虑单一方向上测相绝对误差的方法不同,提出全新的基于保证有限测试距离处不同方向相位差与远场相位差一致的有限测试距离相位中心测量误差分析方法.利用文献[6]的天线相位中心暗室测量方法,对有限距离引入的误差进行了数值分析,从而得到满足一定精度要求的远场测量条件.以实际天线相位中心标定例子说明了分析方法的正确性.     

手眼相机位姿测量精度理论分析及验证

从理论和实验上对手眼相机位姿测量精度进行了研究。首先,根据靶标设计形式和P3P 算法介绍位姿测量原理。接着,从理论上分析了位置测量精度和姿态测量精度,即靶标沿X 轴平移位置测量精度和靶标绕X 轴、Y 轴、Z 轴旋转测量精度。然后,对通常的检测方法进行分析,提出了以产生相对位姿实现六维自由度变化的检测方法,提出用中误差对测量精度进行评价,并具体介绍了检测方法。最后,对手眼相机测量精度进行了实际检测,将实验数据与理论数据进行了对比分析。实验结果表明:距离测量精度最大为25.60 mm,旋转测量精度最大为1.4毅,均满足测量精度的要求。     

Bipod支撑大口径反射镜的零重力面形测试技术

双脚架结构具有静定支撑的特点,可以隔离机械附加载荷,因此成为大口径空间相机反射镜组件的常用支撑形式之一。在地面装调时,采用双脚架支撑的反射镜的面形因重力作用而下降。空间相机入轨后,随着重力变形的释放,反射镜面形会再次发生改变。有限元分析方法评估反射镜组件的重力误差,其精度难以达到高质量高分辨率成像的要求。同时,反射镜加工过程中使用的重力卸载方案也难以沿用至组件阶段。针对重力误差测试过程中装配误差与三叶像差混叠以及检测光路对球差测试精度不足的问题,提出了翻转与卸载相结合的测试方案。基于不同像差的正交性,可以进行分别测试来逐项获取各像差。通过反射镜组建的翻转测试,分离装配误差与重力误差中的三叶像差。设计一定精度的卸载装置,通过卸载前后的对比测试,得到重力造成的球差等旋转对称像差。采取上述方案可以实现对全部重力误差的实测。利用1.3 m口径高轻量化反射镜组件进行了测试验证,其重力误差面形rms和在轨面形rms分别为0.192λ （λ=0.6328 μm）和0.023λ。     

A feed scanning based APC technique for compact antenna test ranges

The measurement accuracy of a compact antenna test range (CATR) depends on the level of spurious signals. To improve the measurement accuracy, several error compensation methods have been developed, but most of them are not feasible at submillimeter wavelengths. This paper introduces an error compensation technique for compact antenna test ranges, which is especially suitable at submillimeter wavelengths. The method is based on antenna pattern comparison (APC). In the original APC technique the antenna pattern is recorded several times at different positions of the quiet-zone field, and the corrected pattern is obtained by averaging the measured patterns. In the proposed method, the lightweight transmitter is moved instead of moving the heavy combination of the antenna under test (AUT) and the rotation stage. The feasibility of the method is studied and the method is tested with measurements in a hologram based compact antenna test range at 310 GHz. The accuracy provided by the proposed method is compared to the accuracy provided by the conventional APC. The accuracies provided by both methods are practically equal.     

光学连续闭环光电编码器误差检测系统

为了解决光电编码器误差检测精度低、光机结构复杂、检测周期长等问题,利用自准直仪与多面棱体的光学小角度测量原理及转角互逆双轴转台的连续误差检测方法,建立了光学连续闭环光电编码器误差检测系统;采用多体系统理论与相对位姿矩阵变换方法,建立了双轴转台全误差模型,分析了固定误差和可变误差对系统的影响;利用标定自准直仪与23面棱体对检测系统进行了校准,并利用高精度光电编码器与系统进行了精度对比验证。结果表明:检测系统的双轴回转精度满足数值仿真计算要求,系统精度可达0.38″,测量不确定度为0.2″（k=2）,系统检测精度与实际编码器出厂时标定的准确度基本一致,验证了光学连续闭环光电编码器误差检测系统实现高精度和全圆周连续误差检测的可行性。     

基于错频法的介质损耗测试研究

采用错频法可将同频干扰的问题转变为对异频干扰的滤除;在本测试系统中,选用微处理器外置DAC的方法产生准确的激励电源,并进行程序再校验,避免了输入信号相位漂移产生的误差;利用同步分离法将待测的试品(电阻电容串联等效)的实部和虚部分离,经A/D转换器送入微处理器计算介质损耗因数.测试结果表明,该系统工作稳定,介质损耗因数的绝对误差小于0.01%.