五棱镜扫描技术检测大口径平面镜的误差分析

五棱镜扫描检测具有结构简单、检测周期短等优点,可以实现大口径平面镜低阶像差的高精度检测,是指导大口径平面镜光学加工过程的一种有效途径。为使大口径平面镜检测系统中的五棱镜扫描技术更加完善,通过理论分析和计算模拟,对五棱镜检测系统中的主要误差源,包括五棱镜制造误差、温度梯度的影响、元件位置误差、光束定位误差、自准直仪测量误差等进行研究,形成了比较完善的误差分析的数理结果。计算结果表明,在当前实验室技术条件下,五棱镜扫描检测系统在单个测量点处的测量不确定度达到230 nrad,其中影响五棱镜检测系统测量精度的主要因素为自准直仪的测量精度与温度的影响。研究结果给出了工程实际中提高五棱镜扫描系统检测精度与减小测量误差的注意事项,并可用于指导系统设计时的误差分析及精度分配。     

超大口径平面反射镜的光学检测（特邀）

在简要总结了各种检测大口径反射镜难点的基础上,为了实现30 m望远镜（TMT）超大口径第三反射镜的高精度检测,提出了一种融合五棱镜扫描技术和子孔径拼接测试技术的新方法。大口径反射镜分阶段依次进行了五棱镜扫描测试和子孔径拼接检测,对该技术的基本原理和基础理论进行了分析和研究,制定了检测30 m望远镜第三反射镜（口径为3.5 m×2.5 m）的方案,对其测试流程、五棱镜设计、五棱镜扫描像差拟合、拼接最优化算法等进行了详细分析,并对30 m望远镜第三反射镜的原理镜进行了实验验证,其最终拼接检测面形的均方根值（RMS）和斜率均方根值（slopeRMS）分别为28.676 nm和0.97 μrad。     

基于斜率的TMT 三镜面形检测方法

为了完成对于30 m望远镜(TMT)三镜面形的检测,引入了基于斜率的测量方法。首先,针对斜率信息分别提出了对于低阶像差拟合以及中频误差分析的方法,并利用数值仿真以及实测数据对于之前提出的理论进行验证;最后,针对所提出的方法进行了基于蒙特卡洛法的误差分配,讨论了在TMT招标方所提出的精度要求下,各个检测仪器的精度如何分配。文中使用的方法,不仅对于TMT三镜的面形检测有很好的指导作用,同时对于类似的大口径平面镜的检测也有一定助力作用。     

夏克哈特曼扫描拼接检测平面镜(特邀)

随着先进光学系统设计与制造的发展,大口径光学系统得到了广泛的应用。然而,大口径平面镜高精度面形的检测手段不足,限制了大口径平面镜的制造与应用。为实现大口径平面反射镜的高精度面形检测,提出一种夏克哈特曼扫描拼接检测平面镜面形的方法。对扫描拼接原理、波前重构算法进行了研究,建立了微透镜阵列成像的数学模型,验证了夏克哈特曼扫描拼接检测原理的可行性。针对一口径为150 mm的平面镜进行了扫描拼接检测实验,拼接得到的全口径面形为0.019λ RMS(λ=635 nm);与干涉检测结果对比,检测精度为0.008λ RMS,结果表明该方法能够实现大口径平面反射镜的高精度检测。     

TMT三镜面形评价过程

TMT 望远镜是一台R-C 式的30m口径光学红外望远镜,其三镜为椭圆形平面镜,口径为3.594m2.568m,质量达到1.8 t。三镜系统需要把来自于次镜的光折转到望远镜两侧奈氏平台的科学仪器上,具有跟踪和快速定向功能,因此三镜位置也是三轴正交运动的结果。三镜支撑系统必须能够在多工况、变载荷的条件下有效保证镜面的面形精度,所以依据TMT 项目组要求面形结果需优于1/5波长(=632.5 nm) 或者斜率均方根小于1 rad。以三镜支撑的一种方案为例详细阐述了TMT 三镜面形评价的过程。这一方案中底支撑采用18 点whiffletree 结构形式,侧支撑采用8 点A-frame 结构形式。首先通过ANSYS 建模仿真,然后使用MATLAB 进行数据后期处理,依次去除结果中包含的刚体位移项、离焦和像散等,最后使用9 个子孔径来拼接归一化的三镜,同时计算每一个子孔径的斜率均方根。这一数据处理方法有别于以往圆形主镜镜面评价的过程,但适合对TMT 三镜椭圆镜面面形评价,且在光学系统中斜率均方根比均方根在镜面面形评价上更有意义。对于大口径反射镜镜面面型评价具有重要的指导意义。     

基于非理想标准镜的子孔径拼接干涉检测技术研究

在大口径光学镜面的检测中,随着参考镜尺寸的增加,加工精度的制约,重力变形,温度,环境等因素的影响使得参考镜在检测中已经不能作为理想平面镜。文中基于最大似然估计（ML）算法,Zernike 多项式拟合对利用非理想平面镜作为参考镜的子孔径拼接检测建立了一套合理的拼接算法和数学模型。并结合工程实例,完成了对2.5 m3.5 m 椭圆形平面镜的模拟拼接实验,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0.022 与0.001 3 。全口径相位分布的PV 值与RMS 值的相对误差分别为2.81%与0.81%。实验结果表明:利用ML 拼接算法可以高精度地完成对参考镜为非理想平面的大口径平面镜的拼接检测。     

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。     

TMT三镜被动支撑系统的概念设计

TMT（Thirty Meter Telescope）望远镜是一台R-C式的30 m口径光学红外望远镜，其三镜为椭圆形平面镜，口径为3.594 m2.568 m，质量达到1.8 t，三镜系统需要把来自次镜的光折转到望远镜两侧耐氏平台上的一系列科学仪器上，具有跟踪和快速定向功能。支撑系统包括底支撑系统和侧支撑系统，根据TMT对三镜的面形要求，提出了底支撑系统采用18点Whiffletree结构，通过优化分析，面形RMS值达到118.5 nm。针对侧支撑系统，提出了基于kinematics原理的12点支撑方式，侧支撑作用下的面形RMS值为4.7 nm，两者综合作用下的面形RMS值优于77 nm。按照支撑系统方案，设计了一种满足一定质量和体积要求的支撑系统结构。     

采用单位激励与逆向复算的2 m平面镜检测技术

为解决Φ2 m平面镜高精度面形检测问题,并提高瑞奇-康芒检测方法的可靠性,研究了一种基于单位激励法与逆向复算的Φ2 m平面镜面形检测技术。分析了在气流扰动、球面镜面形等误差源对单位激励面形计算方法的影响;采用单位激励与光学软件逆向复算相结合的方式,提高瑞奇康芒-检测方法的可靠性。仿真分析2 m平面镜检测过程中气流变化对面形恢复的影响,结果显示:在气流影响情况下,经过多次平均计算面形解算稳定性保持在0.003λ;在球面镜面形影响情况下,面形计算精度达到0.0079λ。采用这种方法,对实际Φ2 m平面镜进行面形加工过程控制,面形检测结果显示该平面镜的RMS达到0.0415λ,PV为0.2040λ（λ=632.8 nm）。该研究旨在解决误差影响情况下大口径平面镜面形检测问题,对于实际镜面加工、检测具有重要的应用意义。     

基于结构函数的子孔径拼接算法研究

为了更好地评价大口径反射光学元件在不同尺度下的起伏情况,提出了一种基于结构函数的子孔径拼接算法.首先,对于算法的基本原理与步骤进行了描述,从理论分析的角度对于计算误差的特性进行了分析;之后针对口径为1.23 m的大型反射镜面形数据,应用文中所提出的方法,利用结构函数进行子孔径拼接并对于其误差特性进行了检验,验证了所提出方法的可行性.最后,将该方法应用于30 m望远镜三镜(TMT M3)的面形仿真数据,得到了其在不同评价尺度下的起伏情况.文中的工作对于TMT M3 的最后完成有着重要的意义,并且对于与TMT M3 类似的大口径平面镜面形评价有着一定指导价值.     

离轴三反光学系统主三反射镜支撑结构设计

主三反射镜支撑结构是离轴三反生物成像系统研制过程中的关键技术难点之一,为了减少工作环境下主三镜面形变化,满足支撑系统稳定性要求,利用有限元方法对主三镜组件进行了优化设计。首先,根据光学系统设计要求确定了反射镜及其支撑结构的材料和支撑方式。接着,优化布局了反射镜底部3点和侧面6点支撑位置,设计了轻量化镜室结构。根据优化数学模型设计了圆弧悬臂梁式柔性铰链结构,分析了在重力工况下和温度载荷工况下各参数对镜面面形精度的影响。然后,对反射镜支撑组件进行了静力学和热力学仿真分析,分析结果为重力工况下镜面均方根值RMS为1.529 nm,温度变化4 ℃时镜面均方根值RMS为2.426 nm。最后,采用Zygo干涉仪对支撑作用下的主三反射镜和系统波像差进行检测,实测反射镜镜面RMS值为0.025 λ,系统波像差RMS值为0.102 λ (λ=632.8 nm),基本满足了生物成像系统技术指标（主三镜镜面RMS≤λ/40,系统波像差RMS≤λ/10）要求。     

低温真空环境光学系统波像差测试方法

为了能够预知空间低温光学系统成像质量,提出了一种高精度测试低温真空环境下F数小、后截距短的光学系统波像差的方法。首先,分析设计测试光路,对低温光学系统、干涉仪以及平面镜等进行布局,为波像差测试做好准备工作;然后,对低温真空标准透镜、标准平面镜、窗口玻璃等关键部件进行分析与设计,测试时作为系统误差项扣除;最后,调试测试光路,分别得到常温常压和低温真空环境（低温温度为100 K,压强为110-4 Pa）下光学系统波像差。通过精度验证实验表明,测量值与标准值偏差为0.010（=632.8 nm）,差别很小,证明了该测试方法的可行性。解决了光学遥感系统特别是F数小、后截距短在低温真空环境下波像差难以高精度测试或无法测试的难题。     

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。     

结合CGH与辅助透镜的长焦距非球面反射镜检测（特邀）

目前,一些大口径光学望远镜主镜的曲率半径已经达到了几十米量级,若单纯利用计算全息实现对镜面进行面形检测,则检测光路长度不低于其曲率半径长度。受场地大小及环境气流扰动等因素的限制,该条件下难以实现对镜面的高精度测量。为了解决大口径长焦距光学镜面的高精度面形检测问题,提出了一种混合补偿干涉检测方法。该混合补偿方法结合了计算全息图和辅助透镜,在有效地缩短检测光路长度的前提下,可以实现对非球面镜面的零位补偿干涉测量。在光路设计中,需要有效地实现混合补偿光路光学设计参数优化以及对CGH衍射级次的分离;同时,检测光路长度应小于非球面反射镜曲率半径大小,以实现缩短检测光路长度的目的。通过对EELT主镜镜面进行仿真检测,结果表明:该方法检测光路长度可缩短至镜面曲率半径长度的1/8以内,设计检测精度优于RMS λ/100 （λ=632.8 nm）。上述仿真结果证明了该方法可以在缩短检测光路长度的情况下实现对待测非球面反射镜的高精度面形检测。     

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。     

大口径望远系统中主次镜系统的装调方法

为了实现大口径望远系统中主次镜系统的装调,并提高光学成像质量,采用了一种调整主次镜相对位置的新方法高精度光学定心法。该方法不同于传统的修切垫圈调整法,可同时消除主次镜系统中因次镜相对主镜的倾斜引起的像散及因次镜偏心引起的彗差,不仅大大降低了装调难度,而且消除了系统的不稳定性。另外,通过干涉自准检验和十字丝代替光轴相结合的办法,建立了一套新的主次镜系统的检验方案。通过对主镜口径为Φ520mm的R-C系统的实际装调和检验表明,组合前后主、次镜两组件的面形波像差均方根值(RMS)均小于等于0.03λ(λ=632.8nm),主次镜光轴角晃动量分别为0.72″、2″,两个镜子的光轴与其各自镜框端面的垂直度均小于等于0.005mm,主次镜系统同心度小于等于0.01mm,满足系统面形波像差均方根值小于等于0.07λ的设计要求。     

非零位拼接检测凸非球面金属反射镜

随着单点金刚石车削技术和抛光技术的发展,实现了金属反射镜的快速高效低成本制造。然而,金属反射镜的检测手段存在明显不足,尤其是没有一种快速、高效的检测手段用于检测凸非球面金属反射镜。为提高凸非球面金属反射镜的检测效率,提出一种非零位拼接检测凸非球面金属反射镜的检测方法。结合工程实例,对口径为120 mm,顶点曲率半径R为1121.586 mm,二次曲线常数K为?2.38的凸非球面金属反射镜进行了拼接检测实验,拼接所得面形误差均方根值（RMS）为0.016λ(λ=632.8 nm)。与Luphoscan检测结果对比,验证了非零位拼接检测方法的检测精度RMS为0.007λ,结果表明该方法能够实现凸非球面金属反射镜的快速、高效检测。     

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。     

Beam properties of AlGaAs power lasers with high-quality etched mirrors

High-quality etched mirrors for AlGaAs/GaAs power lasers for applications in optical storage have been fabricated by chemically assisted ion-beam etching (CAIBE). In order to ensure flat mirror facets of the ridge-waveguide lasers, a flared-waveguide end section is used. This results in a very slight mirror roughness of approximately 20 nm across the beam cross section, and yields excellent beam properties allowing diffraction-limited focusing up to 50-mW output power.<>     

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。