小口径深度凸非球面的高精度面形检测

凸非球面反射镜在反射式光学系统中的应用非常广泛,但其面形高精度检测一直是光学制造领域的难题。为了实现小口径、深度凸非球面的面形高精度检测,提出了一种基于计算全息图（Computer Generated Hologram,CGH）的零位干涉检测技术。首先,详细阐述了该技术的检测原理和方法,给出了计算全息中补偿测试全息和对准标记全息设计过程中的技术要点;然后结合工程应用,针对口径15 mm、顶点曲率半径11.721 mm、非球面度达到72 μm的深度凸非球面,设计并制造了相应的CGH补偿元件,完成了相应零位干涉检测系统的搭建和检测实验;最后,与Luphoscan的检测结果交叉对比,验证了该检测方法的准确性。该技术为小口径凸非球面的高精度检测提供了一种有效的方法,具有显著的工程应用价值。     

大口径凸非球面反射镜子孔径拼接检测

为了获得大口径凸非球面反射镜全口径的面形,提出了利用子孔径拼接检测大口径凸非球面的新方法。利用干涉仪标准球面波前依次干涉测定大口径镜面上各个区域的相位分布,通过子孔径拼接算法即可求解得到镜面全口径面形信息。对该方法的基本原理和实现步骤进行了分析和研究,建立了大口径拼接检测算法的数学模型,设计并研制了大口径反射镜拼接检验装置。结合实例对一口径为260 mm 的碳化硅凸非球面反射镜进行了9 个子孔径的拼接干涉测量,并将拼接检测结果与全口径面形测量结果进行对比,两种方法测量面形PV 值和RMS 值的偏差分别为0.043和0.021（=632.8 nm）。     

大口径标准球面镜组研制与应用

为了实现大口径凸面反射镜检测,研究了大口径标准镜组的设计与研制技术。针对口径Φ为350mm、焦距为4400mm的标准球面镜组,完成了标准镜头设计分析、面形和曲率半径误差标定以及系统集成与实验验证。光学设计软件模拟分析结果表明镜头设计波像差达到0.0001λ[峰谷值(PV),λ=632.8nm],该标准镜头参考球面标准镜面形加工精度达到0.088λ(PV,λ=632.8nm)、0.006λ[均方根(RMS),λ=632.8nm],某项目Φ为320mm、R为4092mm的碳化硅凸面反射镜最终加工检测结果达到0.102λ(PV,λ=632.8nm)、0.011λ(RMS,λ=632.8nm)。结果表明采用该大口径标准球面波透镜组为大口径长曲率半径凸面反射镜提供了一种高精度检测的手段,解决了大口径长曲率半径凸面反射镜检测难题,采用该标准球面镜结合基于数字样板的非零位检测方法也可完成浅度非球面或自由曲面面形实时高精度检测。     

基于干涉测量的Ф1.3 m非球面反射镜定心

Ф1.3 m凹椭球面反射镜是某遥感器光学系统的主镜,其定心精度要求苛刻。由于该反射镜口径大、顶点曲率半径长,利用定心仪法进行定心的实现难度大,精度低。通过分析非球面的两种偏心之间的补偿现象,可知激光跟踪仪接触测量定心的精度仅为0.15°。三坐标仪接触测量定心的精度能够达到0.005°,不过其量程受限,且在光学加工时的反复搬运会造成不便。利用Offner零位补偿检验光路进行干涉法定心,干涉法将反射镜偏心转换为检测系统波前的初级像差,同样可以达到0.005°的精度。该检测方法的误差来源主要是干涉仪焦点位置误差,是系统误差,可以通过旋转反射镜进行多次定心测量的方法予以消除。完成了该反射镜的定心,其结果与三坐标仪的测量结果对比,两种偏心的最大偏差仅为0.023 mm和0.002°。实现了大口径凹非球面反射镜的原位定心测量。     

非球面Null Lens补偿检测中采用激光跟踪仪测量几何参数方法研究

随着非球面反射镜口径和顶点曲率半径的增大,传统的非球面几何参数测量不能满足要求。为实现非球面几何参数的高精度测量,针对广泛应用的补偿器检测非球面光路,开展了几何参数分析和测量方法研究。将二次常数和顶点曲率半径的理论近似误差关系与Zemax仿真进行对比验证,确定了测量需求及数据复核方法;阐述了采用激光跟踪仪测量几何参数的基本原理,说明了特征转换过程及建模、数据处理方法。测量实验结果表明,对2 m量级的测量光路,顶点曲率半径的重复性测量精度±0.039 mm,二次常数的重复性精度±2.05×10-5,离轴量的重复性精度±0.055 mm。说明采用该方法能够有效实现非球面参数的测量,并具有很高的重复性测量精度,适合大口径、长曲率半径非球面的几何参数测量。该方法绝对检测精度需要进一步分析。     

大口径离轴碳化硅非球面反射镜加工与检测技术研究

分析了碳化硅作为空间反射镜材料的各种优点,研究了加工和检测离轴碳化硅非球面反射镜的各项关键技术。利用自行开发的非球面加工中心FSGJ-2对离轴碳化硅非球面进行了研磨、抛光和轮廓测量,分析了计算全息补偿检测离轴非球面的基本原理,并专门设计研制了计算全息衍射检测装置,对大口径离轴非球面反射镜进行了零位补偿干涉测量。结合工程实例对一口径为468mm×296mm的离轴碳化硅非球面进行了超精加工与检测,最终面形误差峰谷(PV)值为0.148λ,均方根(RMS)值为0.017λ(λ=632.8nm),达到了良好的效果。     

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.     

大口径离轴非球面补偿检测的畸变校正

提出了一种基于检测光路光线追迹的畸变校正方法。通过对面形图边界的提取和分析确定图像中畸变的对称中心位置和对检测波前的采样间隔,利用光线追迹建立镜面到检测结果的对应关系,从而校正面形分布的畸变。针对某大口径离轴三反光学系统的730 mm×268 mm离轴非球面主镜的补偿检测,完成了面形图的畸变校正,校正前后二值化面形图与二值化镜面图的标准化互相关函数最大值从0.925提升至0.985,校正效果明显。     

子孔径拼接和计算全息混合补偿检测大口径凸非球面(特邀)

为了实现大口径凸非球面的高精度检测,提出了将子孔径拼接检测法和计算全息补偿检测法相结合的检测方法。由于其中心的非球面度较小,采用球面波直接检测;而外圈的非球面度较大,采用子孔径拼接和计算全息混合补偿的方法进行测量,再通过拼接算法将中心检测数据和外圈检测数据进行拼接从而得到全口径面形。结合实例对一块口径为540 mm的大口径凸非球面进行测量,并将检测结果与Luphoscan 检测结果进行对比,两种方法检测面形残差的RMS值为0.019λ,自检验子孔径与拼接结果点对点相减后的RMS值为0.017λ。结果表明该方法能够实现大口径凸非球面的高精度检测。     

八角形离轴非球面反射镜加工

为了加工出高精度八角形离轴非球面反射镜,对离轴非球面反射镜的数控加工和检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ非球面数控加工中心,对数控加工过程中小磨头的运动方式和运动轨迹进行了研究,阐述了离轴非球面反射镜研磨阶段的轮廓测量方法和抛光阶段的零位补偿检测方法,采用数控加工方法对一块八角形离轴非球面反射镜进行了加工。最终的检测结果表明,八角形离轴非球面反射镜的面形精度均方根值为0.018λ（λ=0.6328μm）,满足光学设计技术指标要求。     

消除参考光不同轴对非球面检测影响的研究

非球而与球而相比具有更好的光学性质,应用越来越广泛,但一直受到光学加工和检测技术的限制.用计算全息的方法对非球面进行干涉检测,是目前最成功和最重要的检测方法之一.但在实际检测中会遇到光路调整困难的问题,其中由于光路调整误差,导致由计算全息图(CGH)重现的理想非球面波面与实际待检测非球而波面不同轴足纶常遇到的,限制了该检测方法的使用和推广.文章针对这个问题,研究了在光路调节的过程中存在一定离轴的情况下,通过软件对离轴误差进行修正,模拟计算和实验检测证明该方法可以取得很好的修止效果,大大降低了光路调整的难度,有利于该检测方法的推广.     

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。     

混合型计算全息图检测低反射率非球面(特邀)

计算全息图被广泛应用于高精度离轴非球面面形检测,为提升低反射率材料检测过程中的条纹对比度,提出了一种混合型计算全息图,对准区域使用反射型全息图,基于衍射效率模型给出了最佳对比度对应的膜层反射率,主区域使用位相型全息图实现衍射效率的提升,从而提升检测区域的条纹对比度。通过多步半导体工艺实现混合全息图的加工,并对某微晶材料离轴非球面进行检测,实验结果表明:该混合型计算全息图可以获得清晰的条纹对比度,最终检测精度优于0.02λ （λ=632.8 nm）,该混合型计算全息图可广泛应用于低反射率非球面检测。     

计算全息检测非球面的模拟计算研究

非球面与球面相比具有更好的光学性质,应用越来越广泛,但一直受到光学加工和检测技术的限制.用计算全息的方法对非球面进行干涉检测,是目前最成功和最重要的检测方法之一,但在实际应用中,由于待测光和参考光通过计算全息(CGH)后各自均有多级衍射光,其传播方向和干涉情况又受参考光照射方向及衍射距离的影响,导致在实验中不容易判别光路调节是否正确,以及哪一组干涉图样是我们真正需要的.针对这个问题,我们对计算全息检测非球面整个过程中的衍射、干涉进行了模拟计算,通过改变参数,得到了一些有益的结果,通过它们能对实验进行预判和指导,从而避免盲目性和误判.     

Φ4m口径凹抛物面镜折反零位补偿检验

折反射式零位补偿检验是一种综合了Offner折射式和Maksutov反射式补偿检验优点的凹非球面检验方法,补偿能力强,检测光路紧凑.大口径和大相对孔径非球面检验是制约其加工质量提高的难题,针对口径为4m、偏心率为1、顶点曲率半径为16 m的大口径凹抛物面反射镜,设计了折反射式零位补偿器.基于三级像差理论对补偿器的初始结构进行了规划和计算,采用Zemax软件对初始结构参数进行了优化,得出了补偿器的最终结构,检验光路轴向尺寸约12 m,系统优化后剩余波相差为0.005λ.设计和仿真结果表明,这种折反射式零位补偿器对大口径凹菲球面镜的加工检测是非常有利的.     

基于曲率/斜率混合传感的镜面视宁度检测方法

随着光学元件的口径增加,无论是在加工检测还是在站址观测过程中,镜面视宁度的影响已经越来越难以忽略。在此情况下,研究可以定量测量镜面视宁度的方法与设备就显得十分重要。基于曲率/斜率混合传感策略,结合冷冻湍流假设实现镜面视宁度评价在时-空域上的转化,实现对镜面视宁度大动态范围的检测。首先,对曲率/斜率混合传感的基本方法进行了理论推导,并以标准化点源敏感性作为评价指标进一步分析了检测过程中的镜面视宁度变化。实验结果显示,在热扰动流场较为均匀时,镜面视宁度的影响较流场反复变化时小,由于湍流不稳定所引入点源敏感性（PSSn）为0.971 8。实验结果证明基于曲率/斜率混合传感的方法可以定量分析大口径光学元件镜面视宁度,对于后续开展的大口径系统设计优化与检测加工具有很好的指导意义。     

Method of optical interference testing error separation

During the testing of aspherical mirrors through the null compensation method,structural parameters observe changes which affect the test results of interference pattern.Several errors are induced due to the maladjustment among compensator,interferometer and the mirror under test.It is important for optical manufacturing,testing and the actual alignment process to distinguish between the aberrations arising from both surface errors and maladjustment of the null compensation testing system.The purpose of this paper is to obtain the real aspheric surface errors during the optical polishing process.In this work,we have established an error separation model to the least square method to separate the errors caused by the maladjustment of the testing system from the test results.Finally,the analysis and simulation results show that high precision figure errors can be obtained by separating the maladjustment errors.