非球面光学元件的面形检测技术

介绍了非球面各加工阶段的面形检测技术及其最新进展,重点介绍了非球面精密抛光期的面形检测技术,并对其中的非零位子孔径拼接干涉检测法和部分补偿法进行了详细阐述,提出了适用于大口径、深度非球面面形检测的组合干涉法的概念。概述了近年来受到关注的自由曲面非球面的发展和检测技术现状,展望了非球面检测技术的发展趋势。     

激光干涉法检测大口径抛物面反射镜

针对非球面度为0.2λ的大口径抛物面反射镜,采用激光干涉法在ZYGO干涉仪上进行直接检测.对从干涉图获得的实际波面与理论计算的理想波面进行相减,得到被检抛物面镜的实际面形误差.将表面绝对检测技术引入非球面面形检测中,并与波面相减技术相结合,从而使检测准确度提高了0.1λ.用自准直法验证了本方法的可行性.     

非球面碳化硅反射镜的加工与检测

为了获得高精度非球面碳化硅(SiC)反射镜,对非球面碳化硅反射镜基底以及改性后碳化硅反射镜表面的加工与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-2非球面数控加工设备。采用轮廓检测法和零位补偿干涉检测法分别对碳化硅反射镜研磨和抛光阶段的面形精度进行了检测,并采用零位补偿干涉检测法及表面粗糙度测量仪对最终加工完毕的碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度进行检测。测量结果表明：各项技术指标均满足设计要求,其中非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）为0.016λ(λ=0.6328μm）,表面粗糙度（RMS值）为0.85nm。     

光学非球面面形误差和参数误差干涉测量

光学非球面在先进光学系统中有着广泛的应用,其面形和参数的高精度测量是光学非球面加工和装调的基础。从面形误差和参数误差两类被测量的角度,阐述了各种典型的干涉测量方法,重点介绍了笔者在部分补偿法、数字莫尔干涉法中取得的成果,探讨了光学非球面干涉测量的发展前景和研究方向。     

离轴非球面在细磨与粗抛阶段的波面再现技术

基于付科法的离轴非球面波面再现检测技术,通过对付科检测过程的数学分析,建立了离轴非球面波面再现的数学模型,提出了波面整合算法,通过对两幅阴影图灰度值积分、去倾斜及波面整合等数据处理再现出被检离轴非球面的波面误差.在被检离轴非球面两个方向的弥散斑分别为0.152mm和0.284mm时,干涉检测得到其面形误差峰谷值为1.110μm、均方根值为0.194μm,且两种检测方法的波面轮廓相一致.实验结果验证了基于付科法的离轴非球面再现技术的正确性,可以应用于指导离轴非球面在细磨粗抛阶段的加工并且实现与精抛光阶段干涉检测的有效衔接.     

子孔径拼接检测大口径非球面技术的研究

为了无需其他辅助光学元件就能够实现对大口径非球面的测量,提出了子孔径拼接干涉检测方法。并基于齐次坐标变换、最小二乘法以及Zernike多项式拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型;开发了子孔径拼接检测非球面算法软件,进行了计算机模拟和仿真实验;设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置,并利用子孔径拼接实现了对口径为350mm的双曲面的检测;为了分析和对比,对待测非球面进行零位补偿检测实验,子孔径拼接所得的面形分布和零位补偿检测所得的全口径面形分布都是一致的,其面形误差PV值和RMS值的偏差分别为0.032λ和0.004λ(λ=632.8nm)。从而提供了除零位补偿检测外另一种定量测试非球面尤其是大口径非球面的手段。     

鸥翼型非球面元件的白光干涉拼接测量

针对鸥翼型非球面面形检测的难题,提出了一种白光干涉拼接测量方案。基于白光显微干涉测量结合子孔径拼接的测量原理对扫描路径进行规划。搭建白光干涉拼接测量平台完成了对10 mm鸥翼型非球面的59个子孔径的高精度测量。利用同步子孔径拼接算法对测得的子孔径数据进行拼接,得到了全口径面形误差。开展了利用高精度轮廓仪和计算机生成全息图(CGH)补偿器对鸥翼型非球面面形进行检测的对比实验。结果表明,所提检测方案的面形误差数值和分布均与高精度轮廓仪和CGH补偿器得到的结果吻合,有效验证了所提测量方案的正确性。     

非球面非零位检测中的回程误差分析与校正

光学测试中常用非零位法来对非球面进行初步检测.由于非零位法偏离了零位条件,导致检测得到的被测非球面面形与其真实面形存在一定程度的偏差(称之为回程误差).分析了非球面非零位检测系统中的回程误差问题,得出了回程误差与被测非球面门径、相对口径以及非球面本身面形误差均紧密相关的结论.针对回程误差的表现形式,提出了有效校正回程误差的方法.计算机仿真及检测实验结果均表明,该方法可以较好地解决非球面非零位检测中的回程误差问题.针对非球面非零位检测中回程误差问题所做的分析以及提出的相应校正方法,有利于非球面非零位法检测精度的提高和系统的广泛应用.     

激光跟踪仪检验非球面面形的方法

通过扩充激光跟踪仪的现有功能,提出了一种适用于非球面研磨和粗抛光阶段以及中低准确度非球面面形的快速检测方法.分析了测试原理,设计规划了检测流程.利用激光跟踪仪的靶标球对非球面表面进行多点接触测量,并将测量的结果与非球面CAD模型进行分析对比、处理和运算,获得非球面的面形分布信息,结合实例对一口径为420 mm×270 mm的离轴非球面进行了面形检测,并与零位补偿结果进行对比,结果表明,两种方法测试的面形误差分布是一致的,其峰谷值和均方根值的相对偏差分别仅为6.22％和3.37％.该方法无需其它辅助光学元件就能够准确地实现对大口径非球面面形的检测,测试数据处理和数学运算简单,实验操作简单易行.     

激光跟踪仪检验非球面面形的方法

通过扩充激光跟踪仪的现有功能,提出了一种适用于非球面研磨和粗抛光阶段以及中低准确度非球面面形的快速检测方法.分析了测试原理,设计规划了检测流程.利用激光跟踪仪的靶标球对非球面表面进行多点接触测量,并将测量的结果与非球面CAD模型进行分析对比、处理和运算,获得非球面的面形分布信息.结合实例对一口径为420 mm×270 mm的离轴非球面进行了面形检测,并与零位补偿结果进行对比,结果表明,两种方法测试的面形误差分布是一致的,其峰谷值和均方根值的相对偏差分别仅为6.22%和3.37%.该方法无需其它辅助光学元件就能够准确地实现对大口径非球面面形的检测,测试数据处理和数学运算简单,实验操作简单易行.     

一种光学非球面检测技术中的数据处理问题

本文介绍一种激光束平移转动法检测光学非球面,较好地克服了以往各种检测方法的局限性。文中着重介绍该方法的数学模型、精度分析、非球面参数拟合及面形质量评价等数据处理问题。以计算实例说明激光束平移转动法检测非球面具有通用性强、精度高、测量周期短等特点。     

离轴非球面反射镜补偿检验的计算机辅助装调技术研究

利用零补偿器实施离轴非球面元件面形的干涉检测中,为了实现反射镜的高准确度检测,对其干涉结果中的误差信息进行了分析.根据零补偿器的补偿原理,提出一种新的调整误差分离方法,建立了离轴非球面补偿检验的调整误差分离模型,并利用该模型对一块离轴非球面反射镜进行了仿真实验.调整前由调整误差引入的波像差为0.2332λRMS(λ=632.8nm),根据仿真结果调整后的波像差为0.0026λRMS,表明该方法具有较高的准确度,可有效提高检测效率.     

离轴二次非球面反射镜无像差点法检测的误差分离技术

非球面光学元件检测中,获得准确的面形信息是实现元件确定性制造的关键因素之一.在无像差点法检测离轴非球面中,为了实现反射镜的高精度检测,对其干涉检测结果中的误差信息进行了分析.利用偏心光学系统的波像差分析方法,分析了在非球面检测系统中,被测镜的调整误差对系统波像差的影响,建立了调整误差分离的数学模型.利用该模型对离轴非球...     

非球面数字波面检测技术

提出了一种快速检测浅度非球面（非球面度小于0.01 mm）的方法,该方法无需补偿器或其他辅助光学元件进行零位补偿。用移相干涉仪直接测量正轴或离轴的浅度凹非球面,剔除平移、倾斜、失焦等调整误差后,得到实际被测镜面的面形分布数据;根据正轴或离轴的浅度凹非球面矢高方程计算理想非球面的面形分布数据,得到理论波面数据,用实测的面形分布数据减去理论的面形分布数据即可得到被检非球面的剩余波像差,即面形误差。利用该方法测量了一口径为135 mm的双曲面,并用零位补偿法加以验证。两种方法的检测结果精度相当,说明数字波面法可实际应用于正轴或离轴的浅度凹非球面的检测。     

激光束偏转法非球面面形测量和计算

提出了一种综合测量非球面面形的激光束偏转法 ,针对不同类型的非球面 ,共提出了三种方案 :平移法、转动法和平移转动法。该方法可测各种非球面 ,通用性强。并对激光束偏转法中对面形测量精度有极大影响的激光束反射角的测量作了重点介绍。实验结果显示 ,该方法测量精度达到λ/5～λ/10 ,接近干涉法的水平     

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。     

非球面非零位环形子孔径拼接干涉检测技术

提出了一种新型的非零位环形子孔径拼接干涉检测技术(NASSI)用以检测深度非球面面形误差。该方法结合了传统非零位干涉检测法与环形子孔径拼接法,采用部分零位镜替代了标准环形子孔径拼接干涉仪中的透射球面镜,产生非球面波前用以匹配被测面不同子孔径区域。该非球面波前比球面波前更加接近被测面的名义面形,使所需的子孔径数目大大减少。一方面增大了环带宽度和重叠区,提高了拼接精度;另一方面减少了各种误差累积次数。同时,配合基于系统建模的理论波前方法分别校正各个子孔径的回程误差,进一步提高了检测精度。对非球面度为25μm的高次非球面的计算机仿真检测结果表明该方法具有很高的理论精度。针对口径101mm的抛物面进行了实验检测,多次实验结果均与ZygoR○VerifireTMAsphere干涉仪检测结果一致,峰谷(PV)值误差优于λ/20,均方根(RMS)值误差优于λ/100,表明了NASSI方法的高精度与高重复性。     

F/0.78高次非球面零位补偿检测与投影畸变校正

为实现高次非球面的高精度检测与确定性加工,从高次非球面检测的零位补偿器设计和干涉检测图的投影畸变校正两方面出发提出了具体的解决方案。首先,基于三级像差理论与PW法推导了高次非球面三片式补偿器初始结构参数计算公式。针对有效口径314 mm、F/0.78的8阶偶次非球面,将基于公式获得的初始结构参数代入光学设计软件进行缩放、优化后获得PV=0.009 6λ、RMS=0.001 2λ（λ=632.8 nm）的补偿器设计结果,公差分析结果表明此设计满足高次非球面λ/50的检测精度要求。进一步地,针对基于零位补偿器的干涉检测图存在畸变的问题提出了一种校正方法,该方法采用零位补偿器的成像畸曲线数据确定干涉图的畸变规律,利用畸变零点求解算法确定畸变中心,结合畸变规律与畸变中心点坐标进行逆向求解实现干涉检测图畸变的快速校正。采用本文所提方法对零位补偿检测结果进行畸变校正,基于畸变校正结果对非球面进行了6次磁流变抛光后,面形RMS由0.270λ收敛至0.019λ,验证了该畸变校正方法的有效性。     

非球面复制成型技术的研究

光学非球面复制成型技术是一种通过面形转移的方法成型光学非球面的技术,即将高精度非球面光学元件(母模)的表面利用脱模膜和胶粘剂转移到球面光学元件(基体)的表面上,并保持原非球面光学元件的光学品质,使球面变成非球面。介绍了该技术的基本原理以及所进行的工艺实验(镀膜、脱模、胶合等),给出了母模和复制件的面形图,证明了该技术用于中小口径非球面光学元件的制造具有较高的精度。     

一种离轴凸非球面补偿器的研究

凸非球面,尤其是离轴凸非球面的光学检验一直是非球面加工中的难点。针对离轴凸非球面光学元件加工检验困难的问题,研究了一种改进的Hindle方法,解决了经典的透射式Hindle方法需要大口径辅助弯月透镜等不足。针对大口径离轴凸非球面的检测,设计了一个特殊结构的补偿器组,并对补偿器的加工和装调进行分析、仿真和优化,对整个补偿检测系统进行公差分析,并给出了相应的结果,同时也可以把此设计推广到更大口径的离轴凸非球面镜的面形检测中去。