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。     

计算全息用于非球面检测的方法

本文叙述了当前用计算全息测非球面的各种方法 ,讨论了所用泰曼格林干涉仪和裴索干涉仪结构的各种优点及局限 ,并介绍了几种当前常用的电子束或激光刻写全息图的仪器。     

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.     

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。     

基于彩色数字全息的透镜焦距检测

为了实现对凹凸透镜焦距的精准测量,采用彩色数字全息方法进行理论分析和实验验证,取得了与标称值相差1%的数据结果。结果表明,采用数字全息干涉测量方法是可靠的,可以获得与用透镜标称值重构相同的效果。该研究对数字全息波前的重建有帮助。     

基于复用计算全息元件的多阶模式偏置波前传感器

提出利用复用计算全息元件实现多阶模式同步的偏置模式波前传感器。对基于复用计算全息元件的多阶模式偏置波前传感器进行了理论分析。为了实现复用计算全息元件,分别编码设计了包含4阶,10阶和20阶Zernike像差模式的复用计算全息图,讨论了复用计算全息图设计中几个关键问题。数值模拟研究了复用计算全息图对单阶和多阶像差模式的探测性能。结果表明,在一定探测范围内,传感器能够响应与全息图内预先记录像差模式相同的待测像差模式,且每一个模式的灵敏度都不同。全息图内记录模式数较少时,单阶模式探测的灵敏度较大;记录模式数越多,模式之间擦除效应越严重,单阶和多阶模式灵敏度都受到一定影响。     

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）。     

大口径非球面计算全息图检测系统

为了精确地检测大口径非球面面形质量,将曲面圆形计算全息图与补偿镜相结合,应用于非球面折射式检测光学系统中.分析了曲面计算全息图的衍射特性,同时分别阐述了利用曲面计算全息图的这种衍射特性来检测凹非球面及凸非球面的基本原理和方法,给出了具体的设计实例.与传统的非球面检测光学系统相比较,该系统不仅简化了传统光学系统的装调过程,还可以大大降低计算全息图（CGH）与补偿镜的制作精度,减少制作成本.尤其是在凸非球面检测过程中,首次在实验技术方面提出了两步全孔径检测法和调整误差的旋转相减消除法,实验验证了该方法的有效性.     

基于数字化二次曝光干涉的光学元件波前畸变测量

将傅立叶变换条纹分析方法与二次曝光全息干涉计量相结合，提出了数字化二次曝光干涉术，用于测量光学元件引入的波前畸变。文中给出了理论分析，模拟与光学实验结果证实提出的方法具有高精度、快速的波前测量特点，可应用于激光系统中光学元件的波前畸变在线检测。     

大口径凸非球面面形检测方法研究

提出了在非球面检验中以反射镜补偿法线像差的方法,用于大口径凸非球面透镜的检测,克服了在检测大口径非球面透镜时一般需要采用多片透镜补偿的困难,降低了设计难度和装调难度,节约了加工成本。设计并研制了大口径凸非球面透镜检测系统,对误差来源进行了分析并给出消除方法。对直径Φ270mm的凸非球面透镜进行检测,测得的非球面面形误差峰谷(PV)值与均方根(RMS)值分别为0.585λ和0.083λ。该方法为大口径非球面透镜检测提供了技术参考,能够适用于大口径透镜粗抛光阶段中的面形检测。     

同时实现OR及XOR逻辑运算的多功能计算全息光学元件

本文提出了一种在光学上同时实现两图像间的OR及XOR运算的方法,利用计算全息制成了同时进行上述两种基本逻辑运算的光学元件,并给出了实验结果。     

计算全息图检测大口径凹非球面系统的研究

根据圆形计算全息图的衍射特性,将曲面圆形计算全息图与补偿镜相结合,应用于凹非球面折射式零检测光学系统中。与传统的折射式零检测光学系统相比,该系统不仅可以简化光学系统的装调过程,还可以降低计算全息图与补偿镜的制作精度,减少制作成本。阐述了利用曲面计算全息图衍射特性的折射式零检测光学系统检测凹非球面的基本原理,给出了具体的设计实例。对于口径为950 mm的抛物面,检测结果P-V值为0.024λ。     

基于空间光调制器的全息透镜记录波前像差优化方法

提出了一种基于空间光调制器(SLM)的全息透镜(HL)记录波前像差的优化方法。从波像差理论出发,经过理论分析得出透射式全息透镜的像差表达式与像差特性,绘制了全息透镜的一维像差曲线,提出了基于空间光调制器的全息透镜波前像差优化方法。使用空间光调制器加载全息图,通过单次曝光记录全息透镜减小像差的方法进行了理论分析,并针对空间光调制器的零级串扰以及视场孔径光阑对全息图和像差的影响进行了讨论。使用优化后的全息图函数计算出包含非球面信息的全息图,设计了基于空间光调制器的全息透镜记录与成像实验,实验结果与理论分析相符合。     

大口径光学元件透射率全口径检测系统研究

提出了利用双光束分光光度和扩束系统相结合方法实现光学元件透射率全口径检测,建立了相应的检测系统,通过实验对系统的透射率检测精度进行分析和验证。结果表明,系统透射率检测精度优于±0.05%,并具有很好的重复性,能够用于ICF系统中大口径光学元件透射率的高精度、全口径检测。     

基于白光扫描干涉术的非球面光学元件大范围评价方法

通过白光扫描干涉术研究了用于非球面元件的大范围测量方法并利用纳米测量机(NMM)构建了测量系统。对系统的运行环境进行分析,定量给出了评定结果。在系统环境得以保证的前提下,重点研究了无重叠拼接方法,并将结果进行了对比;针对周期性非球面光学表面,提出通过白光倾斜扫描干涉法进行测量。扫描过程中,测试样品倾斜通过干涉区,消除了物镜视场的影响,使毫米量级表面一次扫描即可完成测量。针对扫描过程,分析了扫描过程中干涉条纹移出视场现象及双角度不一致对测量结果的影响。     

微流控芯片通道的全息显微检测方法

针对微流控芯片通道和缺陷的检测要求,设计构建了一套基于预放大离轴光路的反射式像面数字全息显微实验系统。探讨了数字全息显微测量中横向尺寸在视场占比较大的低空间频率物体的相位畸变矫正方法,提出两步相位相减法更适用于该类型物体的相位畸变矫正。通过宽度为55 μm、高度为65 nm的台阶标准样板实验对两步相位相减法、一般多项式曲面拟合法和Zernike高阶多项式曲面拟合法在相位畸变矫正效果上进行对比分析,分析结果表明两步相位相减法矫正畸变后的台阶平均高度相对误差为1.1%,较其他方法的误差更小,畸变矫正效果更好。另外,实验以通道宽度为80 μm的微流控芯片为被测样件,实现了芯片通道以及通道表面断裂型和缺损型缺陷的三维形貌检测,并得到定量结果:断裂型缺陷的宽度为14.1 μm,深度为431.7 nm;缺损型缺陷的宽度为33.6 μm,深度为295.1 nm。实验结果表明:像面数字全息显微实验系统为微流控芯片通道及表面缺陷的快速无损测量提供了新的途径,对于微流控实验系统质量评价具有重要意义。     

基于dOTF的大口径透射光学元件检测技术

为了保证在重力变化下大口径巡天望远镜透镜组的成像质量,需要研究一种可以适用于大口径透镜组的波前检测方法,用于实现系统装调检测。首先,基于差分光学传递函数（differential optical transfer function,dOTF）建立了一套波前对准检测技术,在此基础上,分析了运算过程中相位解缠,CCD探测噪声以及大气扰动对检测算法造成的误差影响,结果表明检测误差分别小于10%、1%和2.5%,经过叠加可得整体的测量精度约为10.3%,满足一般大口径大视场检测系统设计指标。最后针对80 mm的透射式系统进行验证,由实验结果得到波前检测主要成分为彗差,与理论分析结果一致,符合几何光学预测结果。     

大口径波片空间相位延迟量误差研究

波片相位延迟量的常用检测方法只是针对激光光束直径(2 mm左右)的光束测出的平均值,对于大口径波片空间相位延迟量的检测,本文提出基于菲索干涉仪的检测方法,建立了波片的空间相位延迟量误差与干涉图样之间的理论数学模型,理论分析了影响相位延迟量误差主要因素有:光源的光谱宽度、石英晶体的空间折射率分布以及波片的面形误差；利用MATLAB程序编程,进行了数值计算,若要求波片的相位延迟量总误差小于一般波片测试误差1°,则光源的光谱宽度应小于0.2 nm,石英晶体的空间折射率分布误差应小于0.005,面形误差应小于200 nm；实验室搭建菲索干涉仪,选取了口径25.4 mm的石英波片进行测试,测试效果良好,测量精度为0.05°。     

计算全息板干涉检测工业镜头凸自由曲面（特邀）

工业镜头元件口径小、数量多、精度要求高,将自由曲面用在镜头凸面上会导致面形复杂、偏离量大,对表面面形检测提出了很高的挑战。提出了基于计算全息板（Computer-Generated-Hologram, CGH）的干涉检测方法,并利用Zemax对光路进行优化设计,建立了镜头装夹误差对检测结果的影响分析模型,提出了镜头高精度干涉检测方案,并结合实验验证了分析模型和检测方案的可靠性。实验结果表明:利用CGH可实现凸自由曲面工业镜头的全口径干涉检测,检测结果为0.57 μm PV （满足镜头检测需求）,并结合轮廓仪对比验证了干涉测量的可靠性。