小口径长焦透镜的焦距检测技术

基于朗奇-泰伯效应及莫尔条纹技术,利用发散光和不等周期光栅的焦距测量方法被用于小口径长焦透镜的焦距测量。将一块曲率半径存在加工误差的平凹长焦透镜作为待测透镜进行焦距测量。在未知透镜真实曲率半径的情况下,首先计算待测透镜曲率半径误差对焦距检测精度的影响,并确定透镜在整个检测系统中的位置,然后进行透镜焦距实际测量,分别计算多组测量焦距值。通过对比发现,在未知待测透镜曲率半径的情况下,检测焦距的重复性、稳定性均一致,所测焦距均为33200～33270mm,且重复性精度高于±0.055%,测量精度优于焦深的1/5。结果充分说明,所提方法对小口径长焦透镜的焦距检测是可靠、有效的。     

大型光学红外望远镜拼接非球面子镜反衍补偿检测光路设计

为了实现大口径、长焦距、批量化离轴镜面的高精度面形检验,本文提出了一种零位反衍补偿检测方案,采用计算全息和球面反射镜共同对离轴镜面法向像差进行补偿,检测光路波像差残差接近于零。检测方案为非轴对称离轴结构,设计了相应的全息对准光路,以保证检测光路装调切实可行。不同离轴量子镜检测光路参数完全一致,仅需更换相应位置计算全息片、调整待测镜空间姿态,即可实现不同类型镜面的快速批量化检验。误差分析结果表明,由补偿元件制造误差、光路失调、干涉仪面形测量重复性以及干涉仪标准球面波偏差引起的待测镜面形误差小于λ/40 (RMS值,λ=632.8 nm)。     

硫系玻璃衍射面模压成型仿真分析与实验研究

为了减小玻璃模压工艺中硫系玻璃衍射光学元件的面形误差,对衍射结构的填充效果和衍射光学元件的应力进行研究。建立了局部衍射结构有限元仿真分析模型,分析了模压温度、模压速度、摩擦系数等因素对衍射结构填充效果和应力的影响,并在仿真结果的指导下进行实验研究,实验结果表明衍射结构的填充效果和应力对面形均有影响,衍射结构填充得越充分、应力越小,成型透镜的面形精度越高,最终得到的成型透镜面形误差为0.3053μm,表面粗糙度Ra为2.95 nm。     

透过检测中的准直镜精度容限

在干涉检验过程中,被检元件的面形误差检测精度受到干涉仪系统结构的影响,从而降低测量结果的可靠性。为了得到较高的检测精度,必须对检测系统进行分析,建立测量误差和系统结构的关联度。根据菲涅耳衍射近似理论,就菲佐干涉仪中的准直镜和标准镜面形误差对透过检测的影响进行了研究。通过对波前相位传递情况的分析,得出波前误差和系统结构参量的相关性,去除空腔系统误差,优化结构参量,并建立准直镜误差容限表达式。经计算得出,当被检面形变误差为0.2λ时,测试误差可以达到0.02λ,而对准直镜的面形误差要求只需0.8λ。     

基于Talbot-Moiré法的长焦透镜焦距

 长焦距测量的Talbot Moiré法是研究热点,目前很多方法虽然都是基于Talbot现象和Moiré技术,但基本原理和实验方案各不相同,因此焦距计算公式也不相同。基于透镜位相变换作用,利用Talbot效应和Moiré条纹,通过图像处理的方法获得条纹的斜率变化,根据焦距与莫尔条纹斜率之间的关系求得透镜焦距。由于长焦透镜的焦距相对于被测透镜厚度大得多,完全可以看作是薄透镜对光束的变换,可用薄透镜对球面波的变换作用来近似表示其对高斯光束的变换。因此,该方法测量长焦透镜焦距对于高斯光束与非高斯光束焦距测量结果无差别,均适用。最后全面分析了该测量方法的误差及精度极限。在影响测量精度的各个误差因素中,光栅节距误差对焦距测量的影响最为显著。     

基于Talbot-Moiré法的长焦透镜焦距测量的极限精度分析

长焦距测量的Talbot-Moiré法是研究热点,目前很多方法虽然都是基于Talbot现象和Moiré技术,但基本原理和实验方案各不相同,因此焦距计算公式也不相同。基于透镜位相变换作用,利用Talbot效应和Moiré条纹,通过图像处理的方法获得条纹的斜率变化,根据焦距与莫尔条纹斜率之间的关系求得透镜焦距。由于长焦透镜的焦距相对于被测透镜厚度大得多,完全可以看作是薄透镜对光束的变换,可用薄透镜对球面波的变换作用来近似表示其对高斯光束的变换。因此,该方法测量长焦透镜焦距对于高斯光束与非高斯光束焦距测量结果无差别,均适用。最后全面分析了该测量方法的误差及精度极限。在影响测量精度的各个误差因素中,光栅节距误差对焦距测量的影响最为显著。     

衍射光学元件检测及数据处理

衍射光学元件以其优异的光学性能,能够调制出理想的波面,较球面、非球面光学系统在校正色差方面具有较大优势。衍射光学元件的加工难点在于其加工精度不仅要求非球面基底的面形满足精度要求,还需要衍射结构的相位突变点及高度满足要求。由于其面形非连续性,存在相位突变点,传统的检测方式难于满足要求。对轮廓仪检测误差来源进行分析,结合检测数据分析加工误差数据,在此基础上进行数据处理,并将该方法获得的误差数据应用于零件加工,实现口径120 mm衍射面加工面形误差为0.539 μm。     

基于叠层衍射成像的二元光学元件检测研究

本文提出了一种基于叠层衍射成像(ptychography)的二元光学元件的检测方法,该方法可实现对二元光学元件表面微观轮廓的检测以及特征尺寸的标定.相比于传统的二元光学元件检测方法,其使用无透镜成像技术,简化了系统结构并可适用于特殊环境下的检测.该方法可直接通过采集多幅衍射图,利用叠层衍射成像迭代算法可精确地复原大尺寸待测元件的表面微观轮廓,提高大尺寸器件的检测效率.本文模拟仿真了台阶高度与噪声大小对纯相位台阶板复原结果的影响,并在光学实验中选取计算全息板为样品,复原样品的表面微观轮廓信息以及得到台阶高度.以白光干涉仪检测结果为标准,该方法在精度要求不太高的前提下,可获得令人满意的成像质量.     

Ritchey角精度对平面镜检测的影响的分析与验证

为进一步提高Ritchey-Common法的检测精度,分析了实验中Ritchey角精度对整体检测结果的影响。通过仿真模拟,分析并确定出最佳Ritchey角测试范围在20°～50°之间,此时面形误差检测结果精度可达0.01λ(λ=0.6328μm)。仿真过程中模拟Ritchey角存在误差时对检测结果的影响,当Ritchey角误差控制在±1°时,拟合结果与原始面形的残差降至0.0007λ,能够满足测试要求。针对Ritchey角测量存在误差的问题,利用测得系统光瞳面的图像压缩比例来计算Ritchey角大小,此方法的计算误差可控制在0.2°以内。实验中选择3个角度来检测,在数据处理时将测得数据两两组合进行解算。29.6°&47.8°组合拟合结果与Zygo干涉仪直接检测结果的残差的峰谷(PV)值为0.068λ、均方根(RMS)值为0.0105λ,证明Ritchey角的选择及其计算精度对检测整体精度具有一定影响。     

组合透镜法测量透镜焦距方法研究及数值分析

为了解决神光系列装置所需长焦透镜焦距的检测问题,在现有斐索干涉仪的基础上,对常规组合透镜方法进行了拓展,提出了双探头光栅尺法。对两种方法的工作原理及检测方法进行了分析,同时计算分析了测量数据误差对测量结果的影响,得出测量数据测量误差的上限要求。这两种方法具有测量精度高、重复性好、测量过程简单的优点,对于各类透镜焦距的检测具有重要的实用价值。     

用双计算全息图检测凹非球面

为实现对凹非球面的高精度检测,提出并设计了一种二元纯相位型双计算全息图.设计的双计算全息图由主全息和对准全息两部分组成,分别用于检测非球面和精确定位主全息.介绍了双计算全息图的工作原理及其设计方法,并给出了一个检测Φ140、F/2抛物面反射镜的双计算全息图设计实例,实验得到的均方根(RMS)误差为0.062λ.通过分析对准全息的误差,推导出主全息的条纹位置畸变误差,最后计算出其综合误差为0.06A.为验证实验结果的可靠性,将其与平面镜自准直检测结果(ERMS=0.062A)比较,结果二者吻合良好.     

Shack-Hartmann波前传感器在光学检验中的应用

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器,以及相应的检测实验结果。在实验室内,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出传感器的测量精度优于/50 RMS(=632.8 nm)。在外场利用星光作为光源,对口径1 m、焦距11 m的望远镜进行了系统波像差检验,测量结果为0.39~0.46RMS之间,并随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为三阶像散。     

Measurement of large aspheric surfaces by annular subaperture stitching interferometry

A new method for testing aspheric surfaces by annular subaperture stitching interferometry is introduced.It can test large-aperture and large-relative-aperture aspheric surfaces at high resolution, low cost, and high efficiency without auxiliary null optics. The basic principle of the method is described, the synthetical optimization stitching model and effective algorithm are established based on simultaneous least-square fitting. A hyperboloid with an aperture of 350 mm is tested by this method. The obtained peak-to-valley (PV) and root-mean-square (RMS) values of the surface error after stitching are 0.433λ and 0.052λ (λis 632.8 nm), respectively. The reconstructed surface map is coincide with the entire surface map from null test, and the difference of PV and RMS errors between them are 0.031λ and 0.005λ, respectively.This stitching model provides another quantitive method for testing large aspheric surfaces besides null compensation.     

一种三次非旋转对称的相位板的检测系统设计

作为零位干涉检测方法中非常有前途的一种方法.计算全息可以用于非旋转对称的非球面的检测.以三次相位板为例,阐述了利用计算全息图检测非旋转对称的非球面的基本原理.分析并推导了三次相位传播过程引入的高阶波像差的理论公式,给出了三次相位板的检测系统的没计结果.详细讨论了计算全息图衍射级次的分离以及计算全息图的二元化,给出了振幅型的计算全息图的图样.计算全息图的刻线最小问隔是40μm,计算全息图的制作精度对检测结果的波前误差的影响仅仅为0.005λ.对检测系统作了详细的公差分析,结果表明所有调整公差对整个检测系统的影响和方根值为83.954 nm.     

球形透镜表面特性数值分析

球形透镜表面在一些高精度的光学系统变得越来越重要,它们和其他透镜表面一样必须满足一样的质量标准。本文采用数值计算方法分析了球形透镜的表面特性,并以Snell定律为基础,建立了用于计算球形表面特性的公式。通过与已有的球面特性公式进行比较,采用该方法计算球形透镜表面特性的拟合误差小于1μm。     

标准球面透镜的几何特性与误差分析

标准球面透镜是斐索型干涉仪的核心器件，综述标准球面透镜的几何特性和误差。分析标准球面透镜在干涉照明光路和成像光路中的作用，重点介绍并实验验证了球面干涉成像的R-sinθ几何特性关系模型，给出了采用Q非球面实现非球面分裂的新型设计方法，以及2片式非球面标准球面透镜结构的实例，概述了针对小F数标准球面透镜球面干涉腔中的待测球面调整误差和移相空间非均匀性误差的研究成果，介绍了校正球面干涉腔中误差的波面差分算法，指出在近标准球面透镜焦点位置测量球面时的回程误差影响，从物像共轭关系角度解释了近焦点位置回程误差较大的原因，比对分析了标准球面透镜的透射波前与斜率对回程误差的影响。提出了在设计标准球面透镜时需注意的几何特性关系，以及使用标准球面透镜时易产生的误差和相应的抑制方法。     

多重结构的体全息存储傅里叶变换光学系统设计

分析了体全息存储傅里叶变换光学系统的设计要求和光学参量的确定。采用多重结构方法对傅里叶变换镜头的正向和逆向光路同时进行了优化,可实现对两对物像共扼位置控制像差。给出了前后组焦距分别为44mm和40mm的达到衍射受限要求的4片型球面全息存储光学系统的设计结果。     

一种新的长焦距透镜的制造方法

针对小口径长焦距透镜传统火漆上盘法容易引起零件中心偏的问题，介绍了一种用平行平板上盘来加工长焦距透镜的方法。在加工透镜第二面的时候，取一平行度非常好的平板，将零件反扣在平行平板上，使零件和平行平板保持线接触，然后将透镜灌胶固定。采用这种方法加工（焦距ｆ′＝－６ｍ，口径Ｄ＝７．７５ｍｍ）的透镜，其中心偏角平均为１′，而采用传统火漆上盘法加工同样的透镜，其中心偏角平均为５′     

基于光学离焦量的致冷型长波变焦红外成像系统冷反射效应的分析与控制

衡量镜面冷反射大小的主要指标在于其对后向反射光线的在探测器靶面的聚焦程度,目前使用一阶参量yni进行量化,不足之处在于没有和具体的透镜参数和系统参数相联系,对于冷反射优化指导作用不大。定义了新的参量光学离焦量对反射光线的散焦进行量化,推导给出了其与镜面曲率半径、通光孔径、其后成像面位置、其前透镜组焦距和系统视场角等设计参数的关系式,分析总结了光学设计中降低冷反射的方法。利用光学离焦量对一个制冷型长波变焦红外光学系统进行了冷反射分析,并计算了各反射面的冷反射引入等效温差(NITD)。分析了NITD主要贡献面的冷反射成因,并进行了针对性的优化,优化后系统变焦部分的NITD减小了50%,而固定透镜组的冷反射下降了75%左右,结果表明光学离焦量对于制冷型红外系统的冷反射优化具有明显的指导作用。