频率扫描干涉仪漂移误差正反向扫描补偿法

频率扫描干涉仪对测量过程中光程差的漂移非常敏感,目标镜的微小位移会被放大几千倍,使得测量结果严重失真,因此必须消除或减弱漂移误差。针对现场测量中目标镜的低频振动或缓慢漂移,根据光频连续正反向扫描测量值漂移误差放大项大小近似相等、符号相反的特性,提出了一种光频连续正反向快速扫描的漂移误差补偿方法,并进行了频率扫描干涉仪漂移误差补偿实验,分析对比补偿前后的实验结果,验证了该方法的可行性。实验结果表明,在测量距离约1543.3mm处,目标镜振动频率为4.7Hz,振幅为1μm,采用补偿后,连续40次采样测量的标准差由补偿前的51.9μm下降到8μm。     

基于光学设计软件的相移点衍射干涉仪建模

为了模拟用于球面面形高精度检测的相移点衍射干涉仪的测试过程,介绍了点衍射干涉仪的基本工作原理,分析了相移点衍射干涉仪的测量误差。利用光学设计软件和自行编制的软件建立了点衍射干涉仪的检测模型,利用该模型分别推导了参考光束和测试光束在干涉场的复振幅分布,模拟了测量过程。根据光的相干理论,通过改变被测镜的位置,实现移相,得到移相干涉图。最后对一设定的被检镜进行实验模拟,生成了两组对称倾斜的13步移相干涉图,对干涉图处理后计算得到了被检镜的检测面形。结果表明,在不引入硬件误差时,由相位提取和波面反演造成的检测面形与设定面形偏差为RMS值0.0783nm,PV值0.5656nm。     

高精度瑞奇-康芒检测法研究及测试距离精度影响分析

为实现高精度瑞奇-康芒法检测,利用检测系统光瞳面与被测平面镜二者间的坐标转换关系,结合最小二乘法直接对测得的系统波像差进行恢复,通过两角度检测分离由光路调整引入的离焦误差,得到更为精准的平面镜面形。分析光路中测试距离对坐标转换关系以及瑞奇角求解精度的影响,根据仿真分析结果确定实验方案。实验中采用两角度检测,对测试波前进行恢复并分离系统调整误差后,最终得到被检平面镜面形,结果峰谷(PV)值为0.182λ、均方根(RMS)值为0.0101λ,对比干涉仪直接检测结果 PV值为0.229λ、RMS值为0.013λ,PV检测精度优于λ/20,RMS检测精度优于λ/100,实验结果证明了此种面形恢复方法的有效性以及测试距离精度分析理论的正确性,从而实现了瑞奇-康芒法高精度检测。     

基于修正Levenberg-Marquardt算法的非球面面形误差校正

随着光学非球面行业的快速发展,生产面形精度优于0.1μm的非球面镜片产品已成为趋势。在非球面镜片的面形检测中,由于存在机械系统误差,被检测工件的坐标存在6个自由度的偏差,这将直接影响非球面的面形测量精度。因此,针对检测系统,需要开发不确定度只有几十纳米的误差校正算法,以保证测量结果更贴近实际。通过数据仿真,在理想非球面的基础上叠加位置误差和面形误差以获得非球面原始三维数据,进而利用修正后的Levenberg-Marquardt全局优化算法,将所获原始三维数据与非球面标准方程作对比,并利用均方根(RMS)误差最小原理,成功分离和校正了非球面的位置误差。针对4种不同规格型号的玻璃非球面镜片,通过将实验结果与商用非球面轮廓仪UA3P的测量结果作对比,得出高匹配的结果,二者的峰谷值之差小于5 nm,均方根相差约为0.1 nm,结果验证了算法的准确性和稳健性。     

菲索干涉仪中精确移相的实现

为了实现移相式菲索干涉仪对光学元件面形的高精度测量,建立了干涉仪同步采集移相系统,并对精确移相方法进行了研究。介绍了移相系统的构成和工作原理,计算了测量过程中移相器的速度。针对PZT移相器在移相过程中会引入离焦误差,并存在加速段和减速段的问题,详细设计了移相器的行进过程。最后,对移相器的性能进行了标定。在改造后的干涉仪上开展了重复性验证实验,结果表明：干涉仪可以获得λ/11 340的RMS测量重复性。对改造后干涉仪与Zygo公司生产的Verifire XP/D干涉仪的测量精度做了比对实验,结果显示：相同元件下两者测量结果的面形RMS之差约为0.9 nm,表明提出的移相系统及移相方法在重复性和准确度方面都能满足纳米级面形测量的要求,为研制高精度移相干涉仪奠定了基础。     

平面光栅支撑结构设计及其面形分析计算

为满足二氧化碳探测仪平面光栅高精度面形要求,对光栅及其支撑结构进行了设计和分析.首先,对光栅结构组件各材料的选取和支撑结构形式进行了研究;然后,以坐标变换法和最小二乘法为理论依据,对镜面刚体位移和畸变的计算求解进行了探讨;接着,采用有限元法对光栅结构组件在不同热力耦合状态下的面形精度和结构强度进行仿真分析.运用有限元软件本身提供的二次开发功能,开发了能内部调用MATLAB编写的面形误差计算程序.经计算,各工况下面形误差PV≤63nm,RMS≤12.6nm.最后,为了验证结构组件的动态特性,进行了模态分析和谐响应分析,三个方向的基频分别达到1 046.3Hz,1 640Hz,1 147.5Hz.这些结果表明,光栅结构组件设计合理可行,能够满足各项设计要求.     

同步辐射用光学元件面形绝对检测方法的研究

为实现同步辐射用光学元件面形的绝对检测,发展了镜面旋转对称三平板检测法。该方法将菲佐干涉法检测到的波前函数关于y轴分解成镜面对称部分与镜面非对称部分,再利用N次旋转取平均值消除镜面非对称部分,从而通过计算获得待测平面的绝对面形分布。推导了镜面旋转对称法检测矩形平面镜面形的公式,应用该方法设计了高精度矩形平面镜的测试实验,并进行了误差分析。实验结果表明,与传统三平板绝对测量方法相比较,两种方法在高度轮廓误差和斜率误差方面的计算结果都符合较好,其对比后的残差均方根(RMS)值分别为λ/500(λ=632.8nm)与0.93μrad。     

基于奇偶函数法的绝对检测实验研究

针对平面干涉检测技术的检测精度受限于参考面面形精度的问题,提出使用基于奇偶函数的高精度绝对检测方法消除干涉系统中参考面面形误差的影响。对旋转角度误差与旋转偏心误差对绝对检测方法测量精度的影响进行了仿真分析。利用商用菲索干涉仪,设计和分析了绝对检测精度实验及重复性实验。仿真结果显示:旋转角度误差在达到0.13°时,测量误差PV值为0.000 1λ;旋转偏心误差达到3 pixel时,测量误差PV值为0.005λ。实验结果显示:测得实际样品的绝对检测精度PV₁₀值为0.041 5 λ,RMS值为0.008 7 λ,小于常规干涉检测所得结果;对同一平面两次独立的绝对检测结果进行点对点作差处理,从而获得残差图,其残差图PV₁₀值为0.004 λRMS值为0.000 5 λ。实验结果表明了该方法的高重复性和有效性。     

基于数字全息干涉的实时微振动检测

基于数字全息理论的方法,构建了一套微振动实时测量的实验系统。通过运用基于全息干涉图像的振动快速解算算法,直接从记录的全息图中提取振动信息,实现对振动物体振幅值进行实时测量。该系统的接收光为散射光,使得测量角度不受被测物体结构的影响。通过测量由标准正弦波驱动的被测物微振动情况,对该实验系统进行了实验验证,实验结果表明,该系统能够实时测量微振动的振幅值（算法处理时间约为0.11 ms）,在550～2700 Hz频段内被测物的振幅较为稳定,系统稳定性误差为1.66%,真实地反映了其振动情况。     

旋转支撑法去除元件面形测量的夹持误差

为实现对光学元件的高精度面形测量,建立了一种旋转支撑结构的高精度测量方法。对该方法的理论原理、数值仿真和误差分析等进行了研究。首先根据元件夹持工况仿真分析了支撑变形的特性。接着用泽尼克多项式拟合波面,建立了旋转支撑法的理论模型,并推导出光学元件去除支撑影响后的面形公式。用仿真分析的方式验证了理论模型,对计算的面形结果与理论面形进行了比较分析。最后,分析了影响旋转支撑法测量精度的误差项。仿真分析结果表明,通过两次旋转支撑结构的方式,可以有效地去除元件支撑造成的面形误差,计算值与真实值之间的误差为支撑误差的泽尼克多项式的高阶对称项,满足元件面形的高精度检测要求。     

Measurement accuracy verification of aspheric surface test with computer-generated hologram

A convex aspheric surface using a computer-generated hologram(CGH) test plate fabricated with novel techniques and equipment is tested.However,the measurement result is not verified via comparison with other methods.To verify the accuracy of the measurement,a perfect sphere surface is measured by the following.The measurement result is quantified into four parts:the figure error from the tested spherical surface;the figure error from the reference spherical surface;the error from the hologram;and the adjustment error from misalignment.The measurement result,removed from the later three errors,shows agreement to 4-nm RMS with the test by Zygo interfermeter of the same surface.Analysis of the CGH test showed the overall accuracy of the 4-nm RMS,with 3.9 nm from the test plate figure,0.5 nm from the hologram,and 0.74 nm from other sources,such as random vibration,various second order effects,and so on.Thus,the measurement accuracy using the proposed CGH could be very high.CGH can therefore be used to measure aspheric surfaces accurately.     

空间遥感器高体份SiC/Al复合材料反射镜组件设计

为消除反射镜与支撑结构材料线胀系数差异产生的热变形对反射镜面形精度、系统成像质量的影响, 采用高体份SiC/Al复合材料作为新型反射镜组件的材料。首先, 通过合理的结构设计及有限元分析比较, 确定了Ф600 mm口径反射镜结构参数, 然后, 对反射镜组件进行了静力学和动力学分析, 在1 g重力载荷作用下, 反射镜X、Y、Z方向去除刚体位移后的镜面变形RMS值分别为12.6, 12.7, 12.6 nm, 达到了λ/50(λ=632.8 nm)。最后, 为了验证高体份SiC/Al复合材料反射镜组件的结构性能及检验结构在振动条件下的抗干扰能力, 对反射镜组件进行了力学试验, 反射镜组件的一阶谐振频率为556.6 Hz。力学试验前后, 反射镜镜面面形误差RMS分别为0.021λ、0.025λ, 没有明显变化。实验结果表明:高体份SiC/Al复合材料反射镜达到了与SiC材料反射镜相同的设计指标要求, 能够满足空间应用。     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40 RMS (λ=632.8 nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60 RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

长条形空间反射镜无热化胶层的优化设计

为了实现尺寸为1 200 mm×484 mm的大长宽比长条形空间反射镜的无热装配,减小反射镜面形精度受热应力的影响,本文对环氧胶(GHJ-01(Z))胶层厚度对反射镜面形的影响及胶层在静、动力学载荷下的应力进行了研究。首先,介绍了现有的几种基于胡克定律推导的无热粘结厚度方程及其假设条件,并推导了带有锥度的背部盲孔反射镜无热粘结胶层厚度的方程,得出无热粘结胶层厚度曲线;然后,建立了6种不同胶层厚度的反射镜组件模型并进行了分析与比较。通过分析,在+5℃温升工况下,反射镜胶层厚度为0.07 mm时具有最好的面形精度,其RMS值0.0178λ,其检测方向在自重作用下的面形精度RMS值为0.0173λ,一阶频率为220.17 Hz;最后对胶层无热化设计后的反射镜组件进行了振动试验和粘结剂剪切强度试验,分析与试验表明:反射镜组件一阶频率为216.4 Hz,与有限元分析结果相对误差为1.71%;满足动静态刚度要求;同时,在动力学载荷下该厚度胶层的应力均小于其固化后的抗剪强度,安全裕度为2.46;各项指标满足设计要求。     

月基极紫外相机反射镜组件的设计

为了使月基极紫外相机反射镜组件在月球环境下具有良好的力学和热学稳定性,从而保证相机的成像质量,本文针对月基极紫外相机所处的严酷的力学和温度条件,设计了一种满足月球环境的反射镜组件结构.通过对反射镜组件有限元模型的重力分析、热载荷分析、动态刚度分析以及结构强度分析,结果表明反射镜组件的一阶谐振频率达到354 Hz,在1 g重力作用和ΔT=50℃均匀温变作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到3.62 nm和2.46 nm,满足反射镜面形要求.最后,通过静力学面形检测、力学试验、温度适应性试验及成像分辨率测试,结果显示反射镜镜面面形精度RMS值优于14 nm,反射镜组件的设计满足总体指标,验证了该方案的合理性.     

月基极紫外相机反射镜组件的设计

为了使月基极紫外相机反射镜组件在月球环境下具有良好的力学和热学稳定性,从而保证相机的成像质量,本文针对月基极紫外相机所处的严酷的力学和温度条件,设计了一种满足月球环境的反射镜组件结构.通过对反射镜组件有限元模型的重力分析、热载荷分析、动态刚度分析以及结构强度分析,结果表明反射镜组件的一阶谐振频率达到354 Hz,在1 g重力作用和△T=50℃均匀温变作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到3.62 nm和2.46 nm,满足反射镜面形要求.最后,通过静力学面形检测、力学试验、温度适应性试验及成像分辨率测试,结果显示反射镜镜面面形精度RMS值优于14 nm,反射镜组件的设计满足总体指标,验证了该方案的合理性.     

激光全场模态测量技术研究

详细阐述了电子散斑时间平均法振动测量技术的原理,通过对影响测量精度的诸因素进行理论和实验分析,提出通过应用连续相位扫描技术克服相移系统相移不准确所带来的误差.通过散斑平均技术的实施,消除散斑对测量精度的影响.在实验中得到了满意的测量结果.通过线性近似法,解决了振幅低于30nm的振动测量问题,从而使系统分辨率达到亚纳米级,测量精度达到纳米级.     

大口径连续相位板面形检测与评价

基于全局最小二乘拼接算法和图像融合算法建立了连续相位板（CPP）子孔径拼接检测算法,并根据全局相关匹配原理提出采用面形残差来评价CPP的加工面形。采用高精度动态干涉仪等设备建立了相应的检测系统,并针对430 mm430 mm口径CPP开展了数值模拟和检测实验。理论计算结果表明:系统计算误差为0.005 nm。实验结果表明,整个检测系统软硬件RMS误差小于5 nm,基本满足CPP面形检测要求。从而验证了CPP检测和评价的正确性和可行性。     

TMT望远镜三镜系统的研究进展

介绍30 m望远镜（TMT）的相关背景以及我国在TMT项目中承担的任务。从TMT三镜系统的总体要求出发,论述了三镜系统的两个主要部分（M3CA和M3PA）的具体要求、技术难点以及初步方案。针对M3CA,介绍了底支撑方案和侧支撑方案,采用Kinematic的底支撑方案时其面形精度RMS可以达到109.7 nm,SlopeRMS为0.95μrad,采用Kinematic的侧支撑方案时其面形精度RMS＜15 nm,一阶谐振频率等于17.7 Hz,均达到了设计要求。针对M3PA,介绍了Tilt轴系和Rotator轴系的方案。最后,简要介绍了三镜控制系统（M3CS）的要求和目标。