高精度平面子孔径拼接算法研究

对平面子孔径拼接累积误差的理论分析及数值仿真表明,参考镜面形的拼接重叠区域的局部斜率差和直流偏差是产生累积误差的原因。为了提高大口径平面光学元件子孔径拼接检测精度,提出一种简单有效的可以减小子孔径拼接测量累积误差的方法,该方法采用第4项和第6项泽尼克像差拟合一个假设的准参考镜面形,再从每个子孔径测量结果中减去,最后拼接合成全口径面形。对450mm×60mm的平面镜进行了8个子孔径的拼接检测,去除准参考镜面形前后,拼接测量结果与Zygo公司24英寸(600mm)口径干涉仪检测结果的偏差峰谷(PV)值从λ/7减小至λ/100。所拟合的准参考镜面形误差为0.02λ(PV值),与标准镜的面形误差为同一量级,其对每个子孔径测量结果的影响可以忽略。实验结果表明,本文方法能够有效控制拼接累积误差,提高拼接检测精度。     

一种降低平面子孔径拼接累积误差的方法

干涉仪参考镜面形离焦误差难以精确标定,是导致拼接累积效应、制约平面子孔径拼接系统检测精度的主要因素。推导了参考镜离焦与拼接累积误差、拼接次数间的定量表达式,基于该表达式在拼接过程中标定并去除参考镜离焦误差,降低拼接累积误差。对450 mm×60 mm的平面镜进行了8个子孔径的拼接检测,与大口径干涉仪检测结果比对,去除参考面离焦误差前后拼接测量误差峰谷(PV)值从λ/10减小至λ/30,有效提高了拼接测量精度。结合绝对检验技术标定参考镜高阶面形误差,验证了离焦是引起拼接误差累积的主要因素,消除参考镜高阶面形误差并不能显著提高拼接检测精度。     

平面子孔径拼接干涉测量精度分析

如何提高子孔径拼接干涉测量精度是子孔径拼接系统的关键问题。针对一维平面子孔径拼接系统,分别采用两两拼接算法和误差均化拼接算法,进行拼接位移台定位误差、参考面面形误差和随机噪声对拼接精度影响的数值仿真与分析。仿真结果表明,对于平面拼接系统,参考面高阶误差、随机噪声对拼接精度影响较小,高阶误差的影响略大于随机噪声的影响;参考面低阶误差(二阶项误差)在拼接过程中会累积放大,是平面拼接干涉测量的主要误差来源,误差均化拼接算法不能有效控制参考面低阶误差的拼接累积误差;两两拼接算法与误差均化拼接算法得到基本相同的拼接结果。对450mm×60mm的平面镜进行了15个子孔径的拼接测量,去除参考面低阶误差面形前后,拼接结果与大口径干涉仪的测量结果偏差从λ/3[峰谷值(PV),λ=632.8nm]减小至λ/45(PV)。     

子孔径拼接干涉测量一大口径双曲面(英文)

为了无需辅助元件就能够实现对大口径非球面的检测,将子孔径拼接技术与干涉技术相结合,提出了一种利用子孔径拼接干涉检测非球面的新方法.分析了该技术的基本原理,并基于齐次坐标变换、最小二乘拟合建立了一种综合优化的拼接模型,在此基础上初步设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装备.利用该方法对一口径为350 mm的双曲面进行了5个子孔径的拼接检测,得到拼接后的全口径面形误差的PV值为0.319λ,RMS值为0.044λ(=632.8 nm).为了对比和验证,对该非球面进行了零位补偿检测,两种方法测量所得的全口径面形分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为0.032λ和0.004λ.实验结果表明:该数学模型和拼接算法是准确可行的,从而提供了一种非零补偿测试大口径非球面的手段.     

基于迭代梯度算法的子孔径拼接检测技术研究

为了解决粗大调整误差下大口径光学平面镜的子孔径拼接检测问题,基于迭代梯度算法,建立了一套合理的拼接算法和数学模型,同时编制了拼接程序。结合工程实例,利用Φ600mm干涉仪实现了对Φ800mm平面镜的拼接测量。检测中,基于靶标对各子孔径实现对准,拼接所得面形光滑连续无狭缝。实验结果表明,利用迭代梯度算法可以高精度地完成粗大调整误差下大口径平面镜的拼接检测。     

非球面拼接测量中偏置误差修正模型

为解决非球面拼接测量时两子孔径重叠区精确拟合问题,根据波像差理论推导了子孔径干涉测量二次曲面偏置误差与运动自由度之间的函数关系,通过分析得出了偏置误差的作用表现形式与Seidle像差相一致的结论,据此建立了定位机构偏置误差修正模型,提出了一种精确拼接测量二次曲面的像差修正方法,该方法利用最小二乘拟合获得拼接系数,可得到孔径间偏置误差估计值,并可在模型中修正高阶系统像差,提高孔径间重叠区拟合精确度.实验表明,该方法拼接精度高于传统校准三方向调整误差拼接法.     

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。     

子孔径拼接干涉检测中机械定位误差的补偿

为减少子孔径拼接干涉检测中机械精度引起的定 位误差对检测结果造成的影响,在一般的调整误差 拼接算法上加入机械定位误差的补偿项,建立了补偿机械误差的综合优化方法。针对参考 面未知的拼接 干涉检测,研究了应用极大似然估计法拟合出用Zernike多项式表示参考面面形分布的方法 ,在除去参考面 面形后采用补偿机械误差的算法拼接。模拟对比实验表明,在相同的机械精度下,机械误 差补偿算法得 到的全口径相位差异分布均方根(RMS)值减少到近一般调整误差 拼接法的1/6,机械误差补偿算法拼接精度高于一般 调整误差拼接法。在搭建的拼接检测装置上检测口径为280mm的平面 镜,与大口径干涉仪检测的全口径相位差异分布的峰谷(PV)值为 0.099λ,R MS值为0.006λ,验证了综合优化方法在重构 参考面面形基础上能有效补偿机械定位误差。     

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）。     

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。     

平面镜子孔径加权拼接检测算法(特邀)

为了解决大口径平面反射镜高精度检测问题,建立了一种基于全局优化的子孔径拼接检测数学模型,同时提出了一种拼接因子用于重叠区域取值。基于上述方法,结合工程实例,对一口径为120 mm的平面反射镜完成拼接检测,检测中共规划了四个待测子孔径,为了对比文中所述算法与传统最小二乘拟合拼接算法的拼接性能,分别利用两种算法完成了待测平面镜的面形重构。实验结果表明,两种算法所得拼接结果光滑、连续、无“拼痕”,同时分别将两种算法所得拼接结果与全口径检测结果进行了对比分析,从传统拼接算法残差图中可以看到明显的“拼痕”,而加权拼接方法得到的拼接结果光滑、连续,同时其残差图的PV与RMS值分别为0.012λ与0.002λ,小于传统算法残差图的PV与RMS值,验证了算法的可靠性与精度。     

Subaperture stitching testing of an aspherical surface

For the purpose to test large and off-axis aspheric surfaces without the aid of other null optics, a novel method combined subaperture stitching and interferometry is introduced. The basic principle and theory of the technique are researched, the synthetical optimization stitching mode and effective stitching algorithm are established based on homogeneous coordinates transformation and simultaneous least-squares fitting. The software of SSI is devised, and the prototype for testing of large aspheres by SSI is designed and developed. The experiment is carried on with three subapertures for an off-axis sic aspheric mirror with a clear aperture of 230×141 (mm). For the compare and validation, the asphere is also tested by null compensation, the synthesized surface map is consistent to the entire surface map from the null test, the differences of PV and RMS error are 0.023λ and 0.014λ, respectively; and the relative errors of PV and RMS are 0.57% and 2.74%, respectively .The results conclude that this technique is feasible and accurate. It enables the non-null testing of parts with greater asphericity and larger aperture.     

子孔径拼接检测凸球面技术研究

为了解决大口径凸球面镜高精度检测问题,建立了子孔径拼接检测数学模型,模型以全局优化算法及最小二乘拟合算法为基础,优化得出被检测镜面全口径面形,并基于该数学模型对一口径120 mm凸球面镜完成了拼接检测,检测中共测量5个子孔径。由检测结果可以看出,拼接面形表面光滑连续,无拼接痕迹。为了验证拼接精度,在子孔径检测中另取一用于评价拼接精度的自检验子孔径,完成了对应子孔径的检测,并将拼接结果与自检验子孔径检测结果进行了点对点相减,从而获得残差图,实验结果表明:残差图PV值为0.014,RMS值为0.003,表明拼接结果的可信性,验证了算法的可靠性与准确性。     

利用三坐标测量仪拼接检测大口径非球面面形

为了利用三坐标测量仪实现对大口径非球面面形的检测,提出了大口径非球面面形三坐标拼接测试方法。对该方法的基本原理与具体的实现流程进行了分析和研究,并基于初级像差理论和最小二乘拟合建立了三坐标拼接检验大口径非球面综合优化数学模型。结合实例,对一口径为1 200 mm434 mm的长条形SiC离轴非球面反射镜进行了两个子孔径的三坐标拼接检测,并将拼接测试结果与非球面全口径轮廓检测结果进行了比对,其PV值和RMS值的偏差分别仅为0.073 m和0.042 m;两种方法面形残差的PV值和RMS值分别为0.325 m和0.055 m。     

光学偏折子孔径拼接面形检测技术

针对大口径的高斜率动态范围光学元件的测量需求,提出了基于光学偏折技术的子孔径拼接测量方法。利用所搭建的条纹投影光学偏折测量系统,结合子孔径划分拼接方法,对各子孔径分别进行测量,并根据实际测量结果与测量系统模型光线追迹结果的偏差,高精度测得各个子孔径的面形数据,由此对各子孔径进行拼接来实现全口径面形测量。光学偏折测量技术相对干涉法具有很大的测量动态范围和视场,可极大降低所需的子孔径数量,由此大大提高了检测效率。同时提出了针对重叠区域的加权融合算法来实现拼接面形的平滑过渡。为验证所提出方案的可行性,分别进行了仿真分析以及实验验证。对一高斜率反光灯罩进行拼接测量实验,并将拼接测量与全口径测量结果进行对比。结果表明,利用所提出测量方法获得的拼接面形连续光滑,且与全口径测量面形RMS值偏差为0.0957 μm,优于微米量级。该测量具有较高的测量精度和大动态测量范围,并且系统结构简单,为各类复杂光学反射元件提供了一种有效可行的检测方法。     

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。     

基于GPU的分布式全息孔径数字成像技术研究

分布式全息孔径数字成像技术是利用数字全息记录各子孔径的复振幅信息,通过孔径间相位拼接实现综合成像的一种主动成像技术。在远距离成像中,大气湍流引入的子孔径内高阶相位误差和子孔径间低阶相位误差,以及孔径间的位置失配误差,都会影响成像质量。随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种无波前探测优化控制算法,具有可以并行、快速收敛、高效可靠等优点,可用于校正系统孔径内高阶和孔径间低价相位误差。但是SPGD算法需要多次迭代,运算量巨大,难以满足实时性要求。文章基于GPU平台,对高、低阶相位误差校正进行了并行加速处理,运算速度较CPU平台分别提升26.42倍和36.47倍。此外,采用AKZAE算法校正各子孔径间的位置失配误差,完成了各子孔径复振幅的拼接,最终实现了分布式四孔径的综合成像。     

基于各向异性尺度Junction的图像拼接

图像拼接一般采用特征点匹配和全局变换,特征点仅包含位置信息,无法表达图像局部结构信息,且全局变换模型只适用于旋转拍摄和远距离拍摄情况,当图像视角变化较大时,容易产生明显的配准误差,影响拼接图像的质量。为解决这个问题,提出了一种基于各向异性尺度Junction特征的图像拼接方法。Junction不仅包含点特征信息,还具有线特征信息,表达了图像重要的局部几何结构。基于Junction特征的配准在特征点配准的基础上,利用分支线信息进一步约束和优化配准,同时结合局部单应变换模型,可以较好地容忍图像局部变形,从而提高配准精度,改善拼接效果。实验验证了本文算法的有效性。