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.     

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.     

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。     

波带板法检测凹非球面的研究

非球面在光学系统中占有重要的地位,但其应用一直受到光学加工和检测技术的限制。波带板（Zone plate）法是对非球面进行检测的重要方法之一。文章详细介绍了波带板检测法的原理以及波带板的计算、制作过程,并针对在实际应用中,由于入射光和反射光两次通过波带板后有多级衍射光,导致不容易判别在什么位置才能方便观察,以及哪一组干涉图样才能正确反映反射镜信息这个问题,对整个检测过程进行了衍射模拟计算,为实验检测提供了参考。最后,通过实验检测,并与其它检测方法得到的结果进行比较,证明了所得结果的正确。     

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）。     

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.     

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.     

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。     

非球面液滴微透镜的轮廓测量方法

对液滴透镜面形的精确测量是用液滴法制作非球面液滴透镜的关键问题之一。提出了一种基于数字图像处理的测量非球面液滴微透镜轮廓的方法,利用光学成像系统将非球面液滴透镜的轮廓成像在CCD接收面上,通过图像采集卡读入计算机,并经图像处理得出透镜面形表达式,以便研究液滴微透镜在不同电场强度下轮廓的变化规律。图像处理的主要步骤包括：对特定区域采取平滑预处理,去除噪声;利用阈值法将灰度图二值化;对二值化后的图像进行轮廓检测;提出了一种简单有效的方法矫正图像的水平偏转;对矫正过后的液滴轮廓的数据进行多项式拟合,分析液滴透镜在不同电压下的各个拟合参数的变化。实验证明：这种方法用于测量非球面液滴微透镜简单、有效,解决了非球面微透镜制作过程中的液滴轮廓的实时测量问题,有助于低像差非球面液滴微透镜的研制。     

非球面非零位拼接测量的对准误差模型

为消除非零位拼接检测非球面中对准误差对拼接结果的影响,建立了基于对准误差修正的优化拼接模型;在非零位检测非球面对准误差模型的基础上,分析对准误差各误差分量的表现形式及影响规律,并建立了基于对准误差补偿的拼接检测非球面的数学模型,实现子孔径的高精度拼接合成。实验表明,该方法可以有效地提高拼接测量精度,经过对准误差校正的拼接测量结果的PV值精度可达0.03λ。     

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。     

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。     

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。     

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。     

非球面光锥的设计

介绍一种大视野角实心光锥系统的设计方法,其中包括设计的难点、研究思路、解决方法及实际结果.传统的透射式光学系统要做到大视野角的能量汇聚,一般结构比较复杂,镜片数量多,即使只进行适当的像差校正也相对困难,而此实心光锥系统与传统透射式光学系统相比,具有成本低、结构简单、安装调试方便等显著特点.该光学系统主要用于大视野角近红外光的汇聚采集,可以根据实际运用要求进行相应的参数修改,从而用于其它波段的能量汇聚系统中.     

回转内圆柱面的非拼接干涉测量方法

介绍了一个特殊结构的干涉测试方法和系统,基于Fizeau（菲索）干涉原理,通过一高精度直角圆锥镜来实现圆柱坐标系与直角坐标的转换。该系统可以用来测量360回转圆柱的表面形貌,并且无需图像拼接,可一次性获取整周的面形数据。通过对系统主成分误差的计算分析,及Matlab软件数值仿真,建立了圆柱坐标系下的误差校正矩阵。并针对一环形样品进行实际测量,测试结果经过主成分误差校正后,与Taylor Hobson接触式圆柱度仪的测量结果一致,通过最小二乘圆（LSC）的圆度评定方法计算得到的圆度误差值十分接近。实验结果表明:该测量方法可有效地实现圆柱体整周表面形貌的测量,解决了目前回转光学元件的测量难度大、测试效率低等问题。     

基于电场操控面形的非球面复合透镜制作

介绍了一种制作非球面复合透镜的新方法.根据电场作用改变液滴透镜面形的原理,利用SU-8光固胶直接在双凹透镜表面制作液滴复合透镜,以电场作用操控液滴复合透镜的面形得到非球面,并实时检测其面形和焦斑图像,在检测到较好的透镜面形和聚焦状态时,用紫外光固化得到低像差的非球面复合透镜.研制了基于电场操控面形的非球面复合透镜制作实验平台,实验检测并讨论了复合透镜在电场中的变形,计算了其主曲率和焦距的变化规律.与原有的平凸非球面液滴透镜相比,此透镜具有更长的焦距和更大的变焦范围,并能保持低像差,改进了基于电场操控面形的非球面透镜制作技术,拓宽了非球面液滴透镜的应用范围.     

The effect of surface loading on the radiation pattern of aspherical reflector

A complete analysis of the radiation pattern of a center-fed axially symmetric loaded spherical reflector antenna is brought to as successful conclusion. The surface of the above-mentioned antenna is assumed to be loaded by materials whose effect is described in terms of surface impedances. The effect of this loading on the radiation pattern of a perfectly conducting spherical reflector is investigated     

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。