可见光移相点衍射干涉仪的测试误差分析

为了实现对极紫外光刻投影物镜非球面反射镜的超高精度检测,引入了可见光移相点衍射干涉仪,介绍了其工作原理,并采用自行设计的十三步移相算法和传统五步移相算法对可见光移相点衍射干涉仪的测试误差进行了详细的理论分析及仿真计算,分析结果证明了十三步算法优越性的同时,也给出了要实现干涉仪的超高检测精度应该限定的测试组件的性能参数。为了验证可见光移相点衍射干涉仪及十三步算法的切实可行性,搭建了原理实验装置,通过40次重复测量取平均值的方法获得被检元件面形。实验结果表明:十三步算法和五步算法的结果相近,但十三步算法的重复性优于五步算法。采用十三步算法,在所构建的实验装置上实现了RMS值优于λ/10 000(λ=632.8 nm)的检测重复性。     

基于面形检测的光学元件多层膜均匀性测量

为了测量光学元件多层膜膜厚均匀性指标,基于面形检测对多层膜均匀性测量方法进行了研究。分析了均匀性的测量过程以及影响因素,评估了元件面形检测复现性对测量结果的影响,建立了多层膜结构的有限元模型,计算分析膜层内应力对基底面形带来的影响。基于高复现性面形检测装置进行了测量方法的实验验证工作,实验结果表明:元件面形测量口径范围内膜厚分布均匀性优于0.1 nm[均方根(RMS)值];将测试结果转化为沿径向的轮廓分布结果,与基于反射率计的膜厚检测数据进行了对比,表明两种方法测试数据基本吻合,验证了基于面形检测方法评估光学元件多层膜均匀性的可行性。     

斐索式红外干涉仪研制和测试技术研究

研制了斐索式红外干涉仪,口径为120mm,配置F/1,F/4标准球面锗透镜,用于检测红外非球面透镜的非球面面形和波像差质量。干涉仪中采用两个红外探测器分别形成对点、测试两路成像光路,并配合光栅尺,实时监测标准镜和被测件的方位,解决了红外光不可见性带来的测试中装夹调整的困难。采用在线标定的方法,实现了大伸长量移相器的标定。使用干涉仪检测了红外非球面透镜的质量,并标定了系统误差。检测结果表明,干涉仪的测量精度均方根(RMS)值优于0.01λ,测量重复性RMS优于0.002λ。     

单反式光端机反射镜柔性支撑参数化设计与试验

为保证单反式光端机指向捕获跟踪(Pointing, acquisition and tracking, PAT)时反射镜在恶劣空间环境下的面形精度,设计了一种底面开槽的柔性支撑结构。由于柔性支撑结构参数较多,为避免各参数之间严重耦合,采用正交优化方法对柔性支撑结构进行参数优化设计,再利用有限元方法对反射镜组件进行热力学特性分析。仿真分析结果表明,反射镜组件一阶频率为352.61 Hz,在1g重力和10℃温升(温降)共同作用下的最大面形误差RMS为λ/54.79(λ=623.8 nm),能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。使用ZYGO干涉仪在(20±10)℃温度范围内对反射镜面形进行检测,结果表明,反射镜面形PV值优于λ/6,RMS优于λ/43,满足RMS≤λ/40的指标要求。实验结果表明,柔性支撑参数设计可靠,满足使用要求。     

中小型圆形反射镜检测支撑优化

为了优化中小型圆形反射镜在加工、镀膜、装调等阶段的检测中所需的支撑结构,以V型块支撑工作原理设计了支撑位置及支撑点夹角均可调整的分体式支撑。利用有限元方法得到TMA系统中Φ136 mm非球面次镜面形随支撑点夹角的变化趋势,并根据趋势曲线,确定支撑点夹角为100°状态下,分体式支撑结构引起的镜面面形变化最小(RMS=0.57nm)。利用干涉仪结合补偿器的检测方式,对分体式支撑在不同的支撑点夹角下的镜面面形进行检测。所得结果与有限元方法得到的镜面面形随支撑点夹角变化趋势与试验结果相符,且在100°时分体式支撑引起的镜面面形变化(RMS=0.015 wave)明显优于其他角度。再以不同的镜坯材料及反射镜直径尺寸进行仿真对比,结果表明:镜面面形随支撑点夹角的变化趋势与反射镜材料和尺寸无关,趋势曲线幅值随材料弹性模量和反射镜直径改变而变化。优化得到的分体式支撑对于中小型圆反射镜具有广泛适用性。     

激光通信平背伺服摆镜支撑结构优化设计EI北大核心CSCD

为了保证平背伺服摆镜的镜面精度和支撑刚度,设计了一种周边柔性支撑的方案,通过对摆镜与镜座粘接处机械结构进行切口处理形成铰链结构,降低结构刚度,减小结构变形产生应力的影响。由于摆镜形状、粘接点位置、柔性支撑结构参数较多,并且相互耦合,首先采用正交实验法对摆镜主要参数进行分析与优化,确定摆镜形状尺寸参数和粘接点位置,随后优化设计摆镜柔性支撑结构。仿真分析和实验表明,采用该周边柔性支撑后,摆镜组件一阶频率为446.66 Hz,在±5℃温升(温降)和标准地球重力共同作用下,最大面形误差RMS为λ/42.87,能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。随后使用ZYGO干涉仪在(23±5)℃温度范围内对加工装配后的摆镜面形进行检测,结果表明,摆镜面形PV值优于λ/5.1,RMS优于λ/43.28,满足RMS≤λ/40的指标要求。实验结果表明,柔性支撑参数设计可靠,满足使用要求。     

极轴式望远镜主镜支撑结构对镜面变形的影响

根据极轴式望远镜的工作特点,以口径为700 mm的极轴式望远镜主镜室系统为例,确定了一套主镜支撑方案。借助于有限元分析软件MSC.Patran详细地建立了系统的有限元模型,选取多种工况,分析了系统在自重作用下的镜面变形情况,绘制了镜面变形误差PV值和RMS值的变化曲线。结果表明:镜面变形主要受角的影响,随着的增大而减小,径向支撑效果优于轴向支撑效果,镜面变形误差满足设计指标要求。在主镜室系统竖直放置时,利用Zygo干涉仪测得带支撑结构的镜面变形误差RMS值为28.48 nm,表明主镜在该支撑结构作用下的面形接近于加工检测时的状态,同时也验证了有限元模型的准确性。     

高精度标准镜支撑结构的研究与设计

为了保证高精度光学元件面形检测精度,必须对干涉仪标准镜自身的面形精度进行严格控制。在考虑标准镜自重的情况下,采用有限元方法研究了不同胶点数量及分布形式、不同的镜框支撑方式对参考面面形精度的影响。根据研究结果,针对球面标准镜面形精度要优于/40的要求,设计了口径150mm的标准镜的支撑方式,采用123点胶接、镜框底面六点的挠性支撑方式,经有限元分析得到:参考面面形的PV值为7.36nm,RMS值为1.52nm;并验证了温度变形较自重变形很小。结果表明,各项指标满足设计要求,证明了结构设计的合理性。     

大口径空间反射镜的重力卸载优化方法

针对某Φ1550 mm口径高轻量化反射镜在轨面形误差RMS优于1/50λ （λ=632.8 nm）的高精度要求，为模拟在轨失重状态，降低反射镜光轴水平状态面形检测时重力的影响，对反射镜进行了多点主动支撑式重力卸载参数优化。首先，在反射镜分区的基础上，提出了卸载力大小、支撑点数量及轴向初始位置的确定原则；随后，建立反射镜的有限元模型，以重力与卸载力共同作用下主镜面形RMS优于0.002λ为目标，以卸载力轴向位置为参数进行仿真优化，通过对参数的影响规律分析总结出快速优化要点，实现优化过程的简化；最终使重力引起的面形误差RMS值减小至0.00145λ。将优化后参数应用于反射镜光轴水平状态的面形检测中，测得绕轴0°、120°、240°时面形RMS分别为0.0157λ、0.0161λ及0.0159λ，且面形分布较为一致，说明经卸载后重力对面形的影响被有效消除。所提出的重力卸载优化方法灵活高效，为实现大口径反射镜的高精度光学加工及在轨使用提供保障。     

承载式激光通信光学天线

在保证一对多激光通信终端光学天线的成像质量前提下,为解决光学天线两端面承担载荷的技术问题,提出了一种用于卫星平台的可承载式激光通信光学天线。对主镜组件、可承载式遮光罩及次镜支撑桁架的结构形式以及连接方式进行正对性设计,保证主镜面形精度以及次镜的位置精度。使用ANSYS有限元分析软件进行分析,结果表明:整机一阶模态151.54 Hz;光学天线前端可承载8.5 kg,后端面可承载13 kg;径向1 g自身重力及两端承载工况下,主镜面形精度RMS值（均方根误差）为/158、PV值（最大峰谷误差）/30,次镜最大倾角1.88;在（205）℃环境温度、轴向1 g自身重力及两端承载工况下,主镜面形精度RMS为/65、PV为/14,次镜最大倾角1.21,该天线承载后具有较好的力、热稳定性以及成像质量,可以满足天线在地面装调、检测以及发射过程中的指标要求。采用质量块模拟两端负载质量及重心位置,使用ZYGO干涉仪进行测试,结果表明系统波相差能够满足1 g重力及负载条件下,系统波相差RMS值优于/15的指标要求。     

全视场外差移相双波长干涉面形检测技术

双波长干涉检测技术可以实现高动态范围与高测试精度的兼顾,是一种极具潜力的检测技术,用于干涉检测的压电位移机械移相技术存在着一些问题,使用全视场外差移相技术,低频差的外差光源与面阵探测器采集帧率相配合,相较于传统的压电位移机械移相技术,可以同时保证不同波长的移相精度,简化移相的复杂度,且可以方便实现多步移相。提出了全视场外差移相双波长干涉测量技术,并搭建了全视场外差移相双波长干涉测量系统,测试了在边缘最高偏离顶点球13 μm的非球面以及高度为(1.3±0.1) μm的台阶,经过实验验证其非球面面形PV测试精度为λ/3.53 (λ=633 nm),面形PV测试重复精度为λ/77.38,面形RMS测试精度为λ/14.16,面形RMS测试重复精度为λ/919.10,台阶高度测试精度为λ/16.19,测试重复精度为λ/311.85。     

对基于拼接干涉术的同步辐射镜测量技术的研究

随着同步辐射光源和自由电子激光器相关技术的发展和光束质量的提升,对用于转递和聚焦光束能量的X光反射镜的指标要求也逐渐提高。为避免引入额外的波前误差,反射镜面形高度误差均方根值的要求已逼近至亚纳米量级。如此苛刻的面形要求对X光反射镜的测量工作带来了极大的困难和挑战。除了在各国同步辐射光源得到广泛使用的长程轮廓仪等基于角度测量的轮廓扫描仪器之外,基于激光干涉仪的拼接干涉技术也发展为测量同步辐射镜的一种有效手段。文中主要介绍了近期笔者等为测量X光反射镜而开发的拼接干涉平台。利用这一测量平台,研究了在不同的拼接参数下的多种拼接模式。着重讲述了其中纯软件拼接模式的基本原理和实际测量。用实测结果与不同测量仪器和不同研究机构的结果进行比对,验证了拼接干涉测量用于检测同步辐射镜的有效性,并展示了此拼接平台的测量表现。根据所得的测量数据看来,使用纯软件拼接模式来测量X光平面反射镜时,测量重复性的均方差值可以达到0.1 nm左右;而测量X光双曲柱面镜时(曲率半径的变化范围为50~130 m),测量重复性的均方差值为0.2~0.3 nm。此结果基本满足平面和接近平面(曲率半径大于50 m)的同步辐射镜常规检测和为确定性加工提供面形反馈的需要。     

采用三角剖分算法的子孔径拼接检测技术

为了解决大口径光学平面镜的子孔径拼接检测问题,基于三角剖分算法与最小二乘拟合算法,建立了一套合理的拼接算法和数学模型,编制了拼接程序,并结合工程实例,利用600 mm干涉仪实现了对612 mm180 mm圆角矩型平面镜的拼接测量。检测中,基于靶标确定子孔径间的相对位置,完成子孔径间的对准,并且基于不同的镜体位置,对拼接检测的重复性进行了多次实验验证。实验结果表明:拼接结果无拼痕,并且两次基于不同镜体位置计算获取的拼接面形PV与RMS的相对偏差分别为2.07%与0.52%,拼接面形是一致的,验证了检测的可靠性和准确性。     

子孔径拼接检测光学平面反射镜技术

干涉检测作为高精度光学面形加工的基础,其检测精度决定了加工精度。为了解决大口径光学平面反射镜检测问题,基于子孔径拼接算法,提出了一种拼接因子用于重叠区域取值,同时利用 100mm口径干涉仪对120mm口径平面反射镜完成拼接检验,并将拼接检测结果与利用150mm 口径干涉仪直接检测结果进行了对比分析,实验结果表明,拼接结果无拼痕,拼接检测结果与全口径测量结果PV 与RMS 的相对偏差分别为7.25%与7.14%,检测面形是一致的,由此验证了拼接检测的可靠性和准确性。     

空间遥感相机大口径变方位反射镜设计

随着遥感技术的发展,新型相机对变方位反射镜提出了口径更大,精度更高的需要。针对1 000 mm×700 mm大口径变方位反射镜提出了一种新式背部高稳定支撑设计,相对于常规变方位反射镜设计,具有体积包络小、重量轻、适应性广的特点。反射镜采用ULE材料,蜂窝夹层的轻量化结构形式,通过背部三点关节球铰卸载了反射镜的装配应力和在轨热变形应力,达到反射镜的无应力静定支撑。通过重力卸载结构的设计和卸载力的优化,解决了光学反射镜地面测试结果天地一致性问题。仿真分析表明地面重力环境下,在90°反射镜面型测试方位时,面型为0.006λ(λ=632.8 nm);在75°整机成像方位Ⅰ测试时,面型为0.005λ;在45°整机成像方位Ⅱ测试时,反射镜面型为0.011λ。反射镜组件的一阶频率达到83.2 Hz,具有较高的刚度,能够满足发射时力学环境要求。这种大口径变方位反射镜组件设计能够满足新型遥感相机的需求,也可为同类反射镜的设计提供参考。     

一种检测光刻机激光干涉仪测量系统非正交性的新方法

提出一种精确检测光刻机激光干涉仪测量系统非正交性的新方法.将对准标记曝光到硅片表面并进行显影;利用光学对准系统测量曝光到硅片上的对准标记理论曝光位置与实际读取位置的偏差;由推导的位置偏差与非正交因子、坐标轴尺度比例、过程引入误差的线性模型,根据最小二乘原理计算出干涉仪测量系统的非正交性.实验结果表明,利用该方法使用同一硅片在不同旋转角下进行测量,干涉仪测量系统非正交因子的测量重复精度优于0.01μrad,坐标轴尺度比例的测量重复精度优于0.7×10-6.使用不同的硅片进行测量,非正交因子的测量再现性优于0.012μrad,坐标轴尺度比例的测量再现性优于0.6×10-6.     

913单元变形镜性能测试与分析

为了满足自适应光学系统校正高阶像差和在低温环境下正常使用的要求,研制了一块913单元的分立式连续表面变形镜。利用?300mm口径Veeco干涉仪对变形镜的部分静态性能进行了面形影响函数测量、面形展平测试和Zernike像差拟合测试,并利用4-D动态干涉仪测量了变形镜从20℃~-10℃的面形。结果表明,913单元分立式连续表面变形镜各驱动点的最大变形量为±3.5μm,相邻驱动器之间的交连值为9.3%;展平后的镜面面形波峰波谷值为66.0nm,均方根值为5.0nm;913单元变形镜对Zernike多项式的拟合能力达到了设计要求;变形镜的低温镜面变形不影响系统的正常使用。该913单元变形镜能够满足自适应光学系统的实际使用要求。     

基于最大似然估计算法的子孔径拼接检测技术

大口径平面镜作为光学系统的重要组成部分, 其面形精度对系统成像具有重要影响。子孔径拼接检测作为大口径光学平面反射镜检测的常用手段, 子孔径拼接算法是该技术的核心。研究了平面子孔径拼接算法, 基于最大似然估计与正交化Zernike多项式拟合建立了一套合理的拼接算法与数学模型, 基于该算法模型可以有效实现对大口径平面镜的拼接检测, 同时编写了相应的拼接程序, 并利用100 mm干涉仪对120 mm的平面镜进行了拼接检测, 给出了拼接检测与全口径检测的对比结果, 对比结果表明: 拼接所得全孔径相位分布与全口径检测结果的RMS值偏差分别为0.002, 验证了算法的可靠性与准确性。