长焦红外光学系统焦距的高精度测量技术

为提高长焦红外光学系统焦距测量的准确性,提出一种将干涉测量、光电自准和激光跟踪技术相结合的焦距测量方法。基于光学系统波前干涉测量光路,利用波前的power值对球面反射镜位置非常敏感的特性,结合激光跟踪仪的空间几何量精密测量和光电自准直仪的精密测角功能,实现长焦红外光学系统焦距的高精度测量。实验中对一理论焦距为1 520 mm的航空长焦红外光学系统进行测试,并结合测试设备的测量精度进行误差分析,5次测量的标准偏差为0.930 mm,测量误差小于0.2%,满足测试技术要求。结果表明这种方法用于长焦红外光学系统焦距的测量是合理可行的。     

点衍射波前无镜头干涉测量中横向偏移误差校正方法

为了最大程度减少误差环节,点衍射球面波前精度的干涉测量中通常采用无镜头测量方式。点衍射干涉波前在大数值孔径与大横向偏移量情况下存在的结构误差将严重影响测量精度,且无法利用传统方法加以校正。针对该问题,提出了一种基于三坐标重构以及对称偏移补偿的点衍射干涉波前测量中结构误差的高精度校正方法,以实现对大数值孔径及大横向偏移点衍射球面波前无镜头成像测量中的结构误差校正。该方法首先采用三坐标重构方法对系统误差进行预校正,再针对干涉中点源横向偏移引入误差存在的对称性,采用对称横向偏移补偿对由三坐标重构误差而引入的残余结构误差进一步校正。分别进行了数值仿真和测量实验对所提出方法的可行性进行了验证。结果表明,该方法达到了λ/10000的校正精度,对于点衍射球面波前高精度测量标定以及非镜头成像干涉检测中结构误差的高精度校正具有重要的应用意义。     

基于双频激光干涉相位检测的高精度波片测量

波片精度对偏振光学系统性能有着重要的影响,故需要对其相位延迟量和快轴方位角进行高精度测量。提出了一种新型基于双频激光干涉相位检测的高精度波片测量方法,采用双频激光外差干涉光路,利用一个可旋转半波片和一个角锥反射棱镜测量待测波片,可实现任意波片的相位延迟量和快轴方位角的高精度同时测量。所提方法不受波片、偏振片等双折射器件的方位角精度的影响,从原理上避免了该类系统误差。所设计的系统具有共光路结构,测量稳定性高,信号处理采用相位检测方式相对于一般的光强检测方式测量精度更高。此外,所设计的测量系统中元件很少,结构简单,测量过程快捷。误差分析表明,在现有实验条件下,测量系统的波片相位延迟量的测量不确定度约为3.9′,快轴方位角的测量不确定度约为5′′。实验比对结果表明,所提方法的测量结果与其他方法测量结果的一致性很好。重复性测量实验表明,测量结果的标准偏差约为2′。     

基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术

为测量光学系统出射波前以及动态波前,提出一种基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术。在传统点衍射干涉仪中调整点衍射板轴向离焦量引入圆载频,通过二阶极坐标变换可以将圆载频干涉图转换为具有准线性载频特征的干涉图,从而在频域中将连续频谱转换为准离散谱,采用傅里叶变换法即可提取相位。仿真波面为利用36项Zernike多项式随机生成,在离焦17λ条件下相位恢复误差的均方根值为0.002λ。实验测量了F/10标准镜头岀射波面,测量结果与SID-4波前探测器一致;实验还实现了有机玻璃材料吸收特性的动态检测。因此采用该技术能够实现光学系统的检测以及动态波面实时测量。     

基于成像自适应光学的水下成像系统研究

水中湍流是影响水下光学系统性能的重要的潜在因素。用波前检测的方法对水中湍流对激光束传输的影响进行实验研究,测量了实验条件下水中湍流产生的波前畸变的大小,对波前畸变进行了Zernike分析,还对波前补偿自适应系统在水下成像的应用进行了探索。结果表明:水中湍流引起的激光束波前的起伏降低了图像的分辨率,自适应光学系统在其校正范围内能有效地校正畸变,提高图像质量。     

用数字干涉仪测量变形镜影响函数的实验研究

分析了变形反射镜面形影响函数的意义，鉴于自适应光学系统中波前探测大都以测量波前斜率为基础的特点，提出应研究斜率影响函数，并在此基础上构成波前复原矩阵。还介绍了用数字干涉仪测量变形镜影响函数的方法和结果，并对测量结果进行了分析，得到了影响函数的各种参数，例如：交连值，高斯指数，特征宽度等。并将干涉法测量斜率影响函数的结果与实际的哈特探测器的测试结果进行了比较。     

光学系统像差与光场干涉对激光参量测量精度的影响

研究了采用面阵CCD探测器测量光束参量的技术问题,研制了一套高精度激光参量测量系统,对其光学系统像差与光场干涉原因进行了理论分析,实验测量了连续抽运1064nm固体模式发生器产生的基模厄米高斯光束,分析对比了其输出光束带有干涉条纹时对测量精度的影响,对光学系统的设计提出了具体技术要求,为同类装置的研制提供了参考依据。     

利用相位差异波前传感检测结果实现三反光学系统的辅助装调

阐述了基于相位差异(PD)的波前传感技术的基本原理;仿真分析了PD技术的噪声适应性及探测器离焦误差对精度的影响;利用PD技术的波前传感结果分别辅助装调了离轴、同轴三反光学系统,并分别将多视场的波前图与干涉检验的结果进行对比。实验结果表明,利用PD技术可实现三反光学系统的波前传感及辅助装调。与干涉检验的结果相比,波前传感结果的RMS偏差均优于0.02λ,检测精度满足工程需求。     

基于波像差判据的同步相移显微干涉检焦方法

为了实时准确地将激光直写系统中经直写物镜聚焦的光斑定位于待加工元件表面,提出了一种基于波像差判据的同步相移显微干涉检焦方法,实现了对离焦量的实时检测与调整。在直写系统中引入检焦光路,与直写光路共享同一物镜,构建Linnik型同步相移显微干涉检焦系统,提取包含离焦量的波面相位信息;再从大数值孔径（NA）的物镜波像差数据中解析出离焦量的大小与方向。仿真结果验证了基于波像差判据的离焦计算方法的正确性,NA≥0.5时,离焦探测灵敏度可达4 nm, 通过实验验证了同步相移显微干涉检焦方法的可行性,检焦精度可达10 nm以内,满足激光直写高精度的测量要求。     

基于成像清晰度函数的非球面反射镜位置校正实验研究

在具有双曲面、抛物面或椭圆面反射镜的成像光学系统中,反射镜的位置误差通常具有对成像质量影响灵敏的特点.因此,在该类光学系统装调或工作过程中反射镜位置存在误差时需要对该反射镜进行精确调整.目前,反射镜位置校正的方法多基于对系统波前误差的测量,从而判断其位置误差.然而在系统工作过程中可能无法进行光学系统的波前测量,或者需要复杂的光学系统才能实现波前误差的测量.本文以焦平面图像清晰度作为评价函数,采用随机并行梯度下降算法对反射镜位置进行调整,使系统成像质量达到最佳.针对迭代过程中反射镜位置发生变化时图像偏离探测器靶面而无法探测的问题,本文采用了一种反射镜垂直光轴平移和旋转相结合的调整方法.在保证图像位置不变化的条件下对系统像差进行校正.室内实验验证了该方法具有可行性,校正后的成像质量达到衍射极限.     

Least-squares fitting of wavefront using rational function

This paper describes a mathematical method for approximation of the measurement data in optical testing techniques. Presented method uses a least-squares fit of two-dimensional rational function model to interferometric data. It is suitable for an analytical expression of wavefront, and one can obtain sufficient accuracy with a relatively small number of approximation coefficients. Properties of the proposed method are analyzed in this work. It is shown that the technique can be used for analyzing wavefront deformation in optical testing methods.     

基于二维傅里叶变换的单帧干涉图相位提取方法

针对大口径光学元件干涉测试过程中,测试装置和干涉腔长较大,气流扰动和环境振动对移相测试过程产生影响等问题,采用一种基于二维傅里叶变换的单帧干涉图处理方法,只需要对一幅空间载频干涉条纹图进行处理即可获得待测相位,具有抗振测试的优点。对该方法的基本原理和算法过程进行分析,并对近红外大口径移相平面干涉仪中600 mm口径的光学平晶进行了面形测试。实验结果表明:采用该方法所得波面峰谷值(PV)为0.112,波面均方根值(RMS)为0.014,与移相算法所得波面数据相比,波面峰谷值偏差不到(1/500);波面均方根值(RMS) 偏差几乎为零。     

NA1.35投影光刻光学系统偏振像差的优化

为了实现NA1.35投影光刻光学系统高质量成像，在设计过程中除了控制波像差，还需进一步优化光学系统的偏振像差。利用Jones光瞳和物理光瞳表达了NA1.35投影光刻光学系统的偏振像差，并用二向衰减量与延迟量分析了光学系统偏振像差的大小；根据光线入射到不同光学面上最大入射角度的不同，为每个光学面设计相应的膜系以优化光学系统的偏振像差。相比于采用常规膜系，膜系优化后NA1.35投影光刻光学系统的二向衰减量和延迟量分别减小到了0.021 8、0.057 2 rad，即减小了光学系统的偏振像差。利用Prolith光刻仿真软件，分别对采用常规膜系和优化膜系的NA1.35投影光刻光学系统进行曝光性能仿真，结果显示:膜系优化后光学系统的成像对比度提高了4.4%，证明了NA1.35投影光刻光学系统偏振像差优化方法的有效性。     

Wavefront sensing with an axicon

The use of a large apex-angle axicon for common-path interferometric wavefront sensing is proposed. The approach is a variant of point-diffraction interferometry bearing similarities to pyramidal wavefront sensing. A theoretical basis for wavefront sensing with an axicon is developed, and the outcomes of numerical simulations are compared to experimental results obtained with spherical and cylindrical ophthalmic trial lenses. It is confirmed that the axicon can be used for wavefront sensing, although its refraction may ultimately complicate and limit its operational range.     

相位差波前检测方法应用于平移误差检测的实验研究

相位差波前检测方法由于其结构简单,对环境要求低,测量精度较高等优点,被应用于诸多领域.本文针对拼接型天文望远镜中主镜的共相位检测问题,对相位差波前检测方法在拼接主镜各子镜间平移误差测量进行理论分析,并搭建了实验光路.实验结果表明:相位差波前检测方法对拼接镜平移误差的测量精度高于λ/20(λ为波长),满足系统对拼接平移误差的要求.     

Bayesian Optimization for Wavefront Sensing and Error Correction

Algorithms for wavefront sensing and error correction from intensity attract great concern in many fields. Here we propose Bayesian optimization to retrieve phase and demonstrate its performance in simulation and experiment.For small aberration, this method demonstrates a convergence process with high accuracy of phase sensing, which is also verified experimentally. For large aberration, Bayesian optimization is shown to be insensitive to the initial phase while maintaining high accuracy. The approach's merits of high accuracy and robustness make it promising in being applied in optical systems with static aberration such as AMO experiments, optical testing shops, and electron or optical microscopes.     

相位变更方法发展简述

相位变更(Phase diversity,PD)波前传感是一种较新的波前传感方法,它使用相对简单的光学系统,运用最优化计算方法,借鉴图像处理中的一些技术手段,在得到波前信息的同时,还可以得到目标的清晰像。PD方法经过20多年的发展,在理论上和技术上日臻完善,已经在空间望远镜共相位调整,目标成像清晰化处理等多个领域得到了应用。但PD方法也存在计算量大,探测动态范围小等缺点,其在实际光学系统中的应用仍有待于进一步的研究和探讨。     

Scaling pseudo-Zernike expansion coefficients to different pupil sizes

Orthogonal polynomials are routinely used to represent complex surfaces over a specified domain. In optics, Zernike polynomials have found wide application in optical testing, wavefront sensing, and aberration theory. This set is orthogonal over the continuous unit circle matching the typical shape of optical components and pupils. A variety of techniques has been developed to scale Zernike expansion coefficients to concentric circular subregions to mimic, for example, stopping down the aperture size of an optical system. Here, similar techniques are used to rescale the expansion coefficients to new pupil sizes for a related orthogonal set: the pseudo-Zernike polynomials.     

Compact multireference wavefront sensor design

We present a compact optical design for a multireference Shack-Hartmann-based wavefront sensor (WFS) for multiconjugate adaptive optical systems. The key component of this WFS design is a field lenslet array that separates the exit pupil images in the sensing plane for all reference sources. An analytical method for WFS optical design is presented, and the optimal strategy for selecting optical components from a discrete set is outlined. The feasibility of the WFS design has been demonstrated for a prototype WFS system in a laboratory setup with five reference sources and two deformable mirrors representing a wavefront-distorting medium.     

Optimization of the transmitted wavefront for the infrared adaptive optics system

The adaptive optics system for the second-generation Very Large Telescope-interferometer(VLTI)instrument GRAVITY consists of a novel cryogenic near-infrared wavefront sensor to be installed at each of the four unit telescopes of the Very Large Telescope(VLT).Feeding the GRAVITY wavefront sensor with light in the 1.4–2.4μm band,while suppressing laser light originating from the GRAVITY metrology system requires custom-built optical componets.In this paper,we present the development of a quantitative near-infraredpoint diffraction interferometric characterization technique,which allows measuring the transmitted wavefront error of the silicon entrance windows of the wavefront sensor cryostat.The technique can be readily applied to quantitative phase measurements in the near-infrared regime.Moreover,by employing a slightly off-axis optical setup,the proposed method can optimize the required spatial resolution and enable real time measurement capabilities.The feasibility of the proposed setup is demonstrated,followed by a theoretical analysis and experimental results.Our experimental results show that the phase error repeatability in the nanometer regime can be achieved.