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.     

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）。     

非零位补偿检验非球面技术

为了无需定制补偿透镜或者计算全息等就能实现对非球面光学元件的检测,提出了非零位补偿测试非球面的方法。对非零位补偿检验非球面中的部分补偿法、数字样板法和子孔径拼接法的基本原理和基础理论分别进行了分析和研究,建立了合理的数学模型,并对其具体的实现步骤和测试流程进行了分析和规划。结合工程实例,分别利用数字样板法和子孔径拼接法对一口径为350 mm的浅度非球面进行了面形检测,两种方法面形的PV值和RMS值的偏差分别为0.015和0.002(=632.8 nm),并设计和组建了部分补偿检验装置对一高精度凸双曲非球面反射镜进行了测量,其面形的PV值和RMS值分别为0.183和0.018。     

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。     

高陡度保形光学非球面环形子孔径检测方法

环形子孔径拼接技术检测大口径、高陡度光学非球面具有低成本、高效率的特点。提出一种基于最小二乘法和泽尼克多项式拟合的环形子孔径拼接方法检测高陡度光学非球面。研究了环形子孔径拼接算法的基本原理,对环形子孔径的划分方式进行数学公式推导及参数运算,建立被测非球面的有效数学模型。全口径的拼接结果与原始波面基本一致,二者PV和RMS差值分别为0.015 1、0.004 7(为632.8 nm),残差的PV和RMS值为0.043 5、0.005 2,验证该算法的有效性和准确性。     

异形口径离轴非球面光学加工与测试技术

针对离轴非球面制造的难点,研究分析了碳化硅非球面尤其是异形离轴非球面加工和检测的各项关键技术。首先利用加工中心DMG 对离轴非球面进行了铣磨和表面成形,然后运用实验室自行研制的非球面加工中心FSGJ-2 对离轴非球面进行了研磨和抛光,最后利用离子束对其进行了精抛光,并分别利用三坐标测量仪和激光跟踪仪对非球面进行面形轮廓测定和光学参数及几何量的精确控制。结合工程实践对一口径为600 mm270 mm 的类八角形离轴碳化硅非球面反射镜进行了超精加工与检测,并专门设计研制了光学补偿检测装置,对其进行了零位补偿干涉测量,其最终面形PV值为0.219 ,RMS 值为0.018 。     

摆臂式轮廓测量不同母线条数的敏感性分析

为了确定摆臂式轮廓检测大口径离轴非球面采用不同扫描线数时系统检测误差的敏感性，文中提出采用蒙特卡洛方法，建立了仿真分析的模型。对母线条数分别为8~120条的模式进行模拟检测，对系统噪声引入的面形误差进行Zernike多项式项拟合，统计分析得母线条数为8~39条时，系统噪声引入的低阶项检测误差随母线条数的增加而迅速降低；母线条数为40~70条时，引入低阶项检测误差降低缓慢；71~120条时，引入的低阶项检测误差几乎保持不变。结合实例，对一口径1 500 mm的离轴非球面反射镜进行实验，分别采用36条、72条和96条母线进行面形检测。36条母线检测误差相对较大，检测结果为7.73 m PV和0.68 m RMS；72条母线和96条母线检测结果十分接近，分别为5.755 m PV，0.568 m RMS和5.612 m PV，0.569 m RMS。验证了仿真分析结果的准确性，为摆臂式轮廓检测大口径离轴非球面中母线条数的优化选择提供了理论指导。     

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。     

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。     

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。     

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。     

部分补偿数字莫尔移相干涉的回程误差消除

为了实现非球面面形误差的高精度测量,研究了基于部分补偿原理的数字莫尔移相干涉技术中回程误差的消除方法。通过建立实际干涉仪和建模理想干涉仪,并运用数字莫尔移相干涉技术,获得实际干涉仪像面与被测非球面面形误差相关的波前;分析了该测量系统的误差,提出采用逆向优化法消除大面形误差时的回程误差实现被测非球面的面形误差检测。实验结果表明:与轮廓仪结果比对,面形误差较小时二分之一法重构面形误差,峰谷值和均方根值分别优于/20,面形误差较大时运用逆向优化法消除回程误差,重构的非球面面形误差峰谷值和均方根值偏差均优于/5。基于逆向优化法的部分补偿数字莫尔移相干涉非球面检测,有效消除了大面形误差时的回程误差,可实现高精度的面形误差重构检测。     

高次离轴凸非球面反射镜组合加工（特邀）

为提高离轴三反消像散（TMA）光学系统中次镜的制造效率和精度,开展了离轴凸非球面反射镜组合加工和零位检测的研究工作。首先,介绍了方形(298 mm×264 mm)高次离轴凸非球面反射镜的光学参数、技术指标和总体加工路线;其次,提出了铣磨加工工艺策略以及基于气囊和沥青的小磨头组合加工工艺;最后,阐述了光学零件抛光阶段采用的背部透射零位补偿检测法和Offner型零位补偿器,并采用光线追迹法对镜片的零位补偿检验面形畸变进行了矫正,最终面形RMS值为0.025λ （λ=632.8 nm）,满足技术指标要求。上述组合加工工艺和背部透射零位补偿检测方案可以显著提升高次离轴凸非球面反射镜的加工精度和效率。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高精度离轴非球面透镜的制造与检测

针对强激光系统所需大口径非球面元件高精度、批量化的加工需求,提出了一种气囊抛光技术与柔性沥青小工具抛光技术相结合的大口径非球面元件高效制造方法。采用气囊抛光技术进行非球面保形抛光和快速修正抛光,实现磨削缺陷层快速去除以及低频误差快速修正。采用柔性沥青工具匀滑抛光技术,在低频误差不被恶化的情况下,控制元件中高频误差。在抛光过程中,利用球面干涉仪搭建的自准直波前干涉检测系统和粗糙度仪对非球面元件进行全频段误差检测。基于上述加工与检测方法完成了430 mm430 mm口径离轴非球面透镜样件实验加工,实验结果为元件通光口径内透射波前PV=0.1,GRMS=5.7 nm/cm,PSD1 RMS=1.76 nm,PSD2 RMS=1 nm,Rq=0.61 nm,并且中频段功率谱密度曲线均在要求的评判曲线之下。实验结果表明,离轴非球面透镜样件全频段指标均达到了合格指标要求。所述制造方法也适用于其他类型大口径非球面光学元件的高精度加工。     

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。