CGQ-II车间数字干涉仪的几种特殊检测的应用

最近研制与改进的几台CQG II型车间数字干涉仪除应用于平面及球面的面形测量、获得面形误差PV、RMS或N、ΔN外 ,还可以广泛地应用于下列几种特殊的应用 :( 1)微型光学件的检测 :借助 φ60mm～φ15mm放大系统可以测量 φ1mm平面 ;( 2 )光学平行平面的透过波面畸变检测 ;( 3)棱镜角度及面形检测 ;( 4)非球面检测 :低陡度非球面、二次曲面及非球面准直系统 ;( 5 )衍射光检测 ;( 6)镜头的调制传递函数 (MTF)的检测 ;( 7)金属表面 (模具 )或镀反射膜光学件的检测。仪器的口径为 60mm ,平面精度为λ/2 0 ,球面精度为λ/10 ,λ =632 8nm ,对以上的应用均列举了生产实际应用或科研应用的实例。     

Ф300F800哈特曼物镜的研制

研制出了一种能在外场使用的哈特曼物镜，该物镜口径为300mm，焦距800mm，视场为-1～1mrad，在0．532nm、0．6328nm、1．064nm三种波长（λ）下工作，主波长为0．6328nm。该系统光学材料全部采用德国进口Schott熔石英玻璃，物镜是高次非球面，用WYKO干涉仪检测，检测结果表明物镜波面误差PV值为λ／12，均方根值RMS优于λ／100。     

Φ300F800哈特曼物镜的研制

研制出了一种能在外场使用的哈特曼物镜,该物镜口径为300 mm,焦距800 mm,视场为-1～1 mrad,在0.532 nm、0.632 8 nm、1.064 nm三种波长(λ)下工作,主波长为0.6328 nm.该系统光学材料全部采用德国进口Schott熔石英玻璃,物镜是高次非球面,用WYKO干涉仪检测,检测结果表明物镜波面误差PV值为λ/12,均方根值RMS优于λ/100.     

基于自调谐相移干涉算法的相移误差分析

相移干涉技术由于其测量精度高的特点被广泛应用于波面检测干涉仪中。相移误差为测量过程中主要误差来源。基于一种自调谐相移干涉算法,研究在标定误差和随机相移误差下,算法的波前相位还原精度。对于标定误差,算法能精确地求解出实际相移步长,从而极大地提高了相位还原精度。与经典五步Hariharan算法对比,仿真结果表明,该算法的相位还原PV(峰谷)、RMS(均方根)误差响应更低,其PV误差响应远低于10^-3λ(λ为光源中心波长),而Hariharan算法在10^-3λ量级。基于自调谐算法在标定误差时的相位求解过程,扩展该算法以更适用于随机相移误差。在相同20%随机相移误差范围内,与Hariharan算法计算结果偏差的绝对值接近10^-9λ,能达到较高还原精度。将该自调谐算法运用在干涉仪测量光学元件表面形貌实验中,实验结果表明,与Hariharan算法相比,自调谐算法在仅存在标定误差时,能较明显地抑制纹波误差,两者计算面形PV存在偏差。在较小振动环境下,两种算法计算得到的相位面形分布高度一致。     

双光路干涉测量的控制系统设计

传统的大口径光学元件干涉测量方法依赖于根据不同测试样品人为改变扩束镜头和光路结构,该方法会不可避免引入一些系统误差,因此针对双光路干涉仪的功能需要和仿真实验,提出了一套对应的双线控制方案。通过蓝牙通信、串口通信和机械结构的相互配合可以对光路进行多次折转和校准,使得每次切换测量口径后的光学元件变化位置固定,并在基于MFC(microsoft foundation classes)开发的交互界面显示实时状态。结果表明：在450 mm测量口径下,PV10测量重复性可达到0.004λ,RMS测量重复性可达到0.000 4λ;在100 mm测量口径下,PV10测量重复性可达到0.000 8λ,RMS测量重复性可达到0.000 16λ。实验结果表明该系统保障了优越的测量效率和测量重复性,为双光路干涉仪的研发提供了参考价值。     

移相干涉测量术及其应用

为了对移相式数字干涉仪在光学元件测量中的应用有全面了解，介绍了移相干涉术的基本原理。结合激光数字波面干涉仪，阐述移相干涉术的四步重叠平均算法、压电晶体移相器(PZT)的结构、3 PZT的组合方法、移相器的标定误差和非线性误差的校正方法、波面相位解包的自适应种子算法、波面相位的评价指标等内容。结合移相数字波面干涉仪，叙述了移相干涉测量技术在普通光学元件、红外光学元件、大口径光学元件、非球面光学元件等测量中的应用并指出了应用过程中的注意事项。最后明确指出光干涉技术正沿着高相位分辨率、高空间分辨率、宽波段和瞬态高速测量的方向发展，并将会在瞬态波前测量、微机械的微结构动态分析等方面有着越来越广泛的应用。     

自重变形对超高精度Fizeau干涉仪的光学性能影响

为实现λ/100峰谷值(PV)的光刻投影物镜面形检测精度要求,深入分析了自重变形对大口径超高精度Fizeau干涉仪的光学性能产生的影响.设计的球面标准具结构,其系统波像差达到λ/1000(PV)、像方数值孔径(NA)值为0.36,用于口径超过300 mm的球面镜面形检测.使用Patran/Nastran软件通过有限元方...     

Ф1300mm非球面反射镜的加工与检测

介绍一块Ф1300mmULE材料非球面反射镜的加工与检测方法。采用非球面超声铣磨、机器人研抛等多个工序组合加工技术完成了非球面反射镜的加工。在非球面检测中,采用大口径三坐标测量的方法进行了研磨阶段的面形检测,通过Z向滤波的方法对面形拟合过程中的噪点误差进行了处理,将研磨阶段的面形精度提高至5μm PV值。在干涉仪测量阶段,采用气囊支撑方法对反射镜的重力误差进行了卸载,通过非线性误差矫正的方法去除了零位补偿检测所带来的非线性误差,反射镜的最终精度达到0.016λRMS。试验结果表明,大口径非球面反射镜各项技术指标均满足设计要求,所用工艺方法适用于加工更大口径的非球面反射镜及其他类型的大口径非球面光学元件。     

子孔径拼接中系统误差的修正方法

为了提高大口径光学元件子孔径拼接测量的检测精度,提出一种平面绝对测量技术,修正子孔径拼接过程中产生的系统误差。利用改进的三面互检法获得参考平面的面形数据,采用这些测量数据构建基于Zernike多项式的参考面面形误差修正波面,在拼接过程中运用误差修正波面对获得的子孔径测量数据进行实时修正,并与全口径直接测量结果进行对比,结果PV（peak value,PV,峰谷值）误差从0.072 1 减少到0.028 6 。结果表明该方法有效减少了参考平面系统误差对拼接测量精度的影响,提高了大口径光学元件的检测精度。     

基于子孔径拼接技术的大尺寸光学材料均匀性检测系统

为实现大尺寸光学材料折射率均匀性的高精度、低成本检测,提出一种基于子孔径拼接技术的干涉绝对测量方法,并研制了一套由Zygo干涉仪、五维气浮调整平台、子孔径拼接软件、计算机等组成的测量计算系统。待测件安放在精密的五维气浮调整架上,通过移动调整架来对各个子孔径区域进行精密检测,再利用子孔径拼接软件自动拼接计算出全口径待测件的光学均匀性分布。对直径为300mm的石英待测件进行了口径为180mm的8个子孔径拼接检测实验,并将拼接所得结果与全口径干涉仪直接测量的结果进行了分析和比较,波面峰谷值相对误差为0.21%,光学均匀性值相对误差为0.23%,精度与大口径干涉仪直接测量的精度相当,实现了绝对检验下的平面类波前子孔径拼接技术的实用化。整套系统集光、机、电、算于一体,操作简便,测量精度高。     

近红外瞬态脉冲波前高精度干涉检测技术

惯性约束聚变(ICF)系统中高能瞬态脉冲激光由于脉冲时间短、能量高、波前畸变大,通常的检测方法难于检测脉冲激光波前。提出了一种基于空间相位调制技术可用于近红外瞬态波前高精度检测的环形径向剪切干涉仪。该系统可以以30~150 mm的圆瞳和方瞳口径、对波长为1064 nm的近红外纳秒级脉宽的脉冲激光波前实现共路、无参考面的瞬态、高精度的检测。系统的波前重构理论经过计算机仿真验证,精度达1/1000λ以上;检测结果与ZYGO数字波面干涉仪进行了比对,峰谷值、均方根值均优于1/15λ,并具有很好的可重复性。该系统目前已用于惯性约束聚变系统的脉冲检测,并且该技术适用于各种可见光和红外波段激光。     

大口径高精度空间光学窗镜制造技术

大口径高精度空间光学窗镜的技术特点有二。其一是要有很高的波面畸变精度。受窗谱材料光学均匀性的限制，常规的平面镜制造技术已不再适用。应用以非平面的镜面修磨工艺与全口径数字干涉检验为技术基础的等光程工艺方法，已研制出波面畸变小于λ／５０（ＲＭＳ）的大口径空间窗镜。其二是要有特殊的光学表面质量要求。空间窗镜的工作寿命在很大程度上取决于窗镜表面的微裂纹。采用了特殊工艺对表面微裂纹进行处理。模拟试验的结果表明这些方法是有效的。     

大口径粗糙球面的检测

 为了解决大口径光学元件在精磨阶段的检测问题,基于电磁场散射理论,分析了在红外干涉仪测量粗糙表面过程中,所产生干涉条纹的对比度与粗糙表面粗糙度之间的关系,并通过测量不同粗糙表面对这一结果进行了实验验证。利用红外干涉仪测量了280#精磨粗糙球面（Φ=1130mm,R=3600mm）的面形,讲述了测量大型粗糙球面时干涉仪的调整方法。从测量结果可以看出,此粗糙球面具有比较明显的球差,面形峰谷（PV）值为0.526λ(λ=10.6μm),均方根（RMS）值为0.117λ(λ=10.6μm)。     

利用子孔径拼接法测量大口径凸面反射镜

在简要分析各种检测大口径凸球面方法优缺点的基础上,提出了利用子孔径测量凸面反射镜的新方法,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。结合实例对加工过程中的口径为300 mm的碳化硅凸面反射镜进行了9个子孔径的拼接干涉测量,并将检测结果与全口径面形测量结果进行对比,两种方法残差的PV值和RMS值分别为0.102 和0.009 (=632.8 nm)。     

检测大口径光学平面镜时干涉条纹的子孔径拼接方法

提出了用Ritchey_Common法检测大口径光学平面镜时干涉条纹的子孔径拼接方法。通过确立基准点将多幅子孔径检测数据统一到全口径归一化坐标系下进行拼接,解决了在检验光路中因Ritchey角所引起的投影变形问题和如何消去因被检平面的大曲率所造成的像散。通过Zernike多项式拟合重建连续波面,可恢复全口径波面图像。     

米级口径经纬仪保护窗口镜面变形分析

为了精确分析外载荷作用下米级口径经纬仪保护窗口镜面变形,本文基于接触有限元理论建立了米级口径经纬仪保护窗口带摩擦接触的有限元分析模型,对比了线性刚性连接和非线性摩擦接触方法的差异。采用齐次坐标变换法去除刚体位移,得到米级口径经纬仪保护窗口镜面畸变数据,使用Zernike多项式作为光机集成分析的接口工具,并将Zernike多项式系数导入ZEMAX中,以波前像差RMS值衡量镜面变形对成像质量的影响,并与干涉仪检测结果进行比较。考虑摩擦接触条件得到的保护窗口镜面波前像差RMS值为38.095 nm、PV为205.027 nm,使用干涉仪检测得到的保护窗口镜面波前像差RMS值为40.626 nm、PV值为235.654 nm。实验结果表明,考虑摩擦接触条件的仿真实验与干涉仪检测实验的镜面波前像差RMS值偏差为6.23%,能更准确地反映米级口径保护窗口镜面变形。     

应用离子束修正高精度CGH基底

计算全息图(CGH)作为零位补偿器广泛应用于高精度非球面的检测中,但CGH的基底误差直接限制了非球面的检测精度。为了获得超高精度的CGH基底,提出了应用离子束修正CGH基底的加工工艺。采用不同束径的离子束去除函数对一边长152 mm(有效口径140 mm圆形区域)、厚6.35 mm的正方形熔石英CGH基底分别进行了精抛、精修和透射波前修正实验。经过总计7轮的迭代修正,最终获得了透射波前为PV值20.779 nm、RMS值0.685 nm的超高精度CGH基底。实验结果表明:应用离子束修正高精度CGH基底的加工工艺具有较大优势,不仅具有较高的加工效率而且可以获得超高的加工精度。     

Measurement of transient near-infrared laser pulse wavefront with high precision by radial shearing interferometer

It is hard to measure the transient near-infrared pulse laser wavefront in inertial confinement fusion (ICF) system by conventional methods for its short pulse width, large energy, high power and large distortion. A circular radial shearing interferometer based on spatial phase modulation is proposed to measure the transient near-infrared laser pulse wavefront with high precision. Transient, highly precise measurement for near-infrared laser pulse wavefront, with pulse width of nanometer scale and central wavelength of 1064 nm, can be carried out with common path, no reference plane. The theory of wavefront reconstruction has been validated by the computer simulation, and an error less than 1/1000λ is obtained. Comparing with the results of ZYGO interferometer, an error less than 1/15λ for both peak valley and root mean square value, is gained with good repeatability. The system has already been used in the ICF system to test the pulsed laser wavefront, and can also be applied to other lasers of visible and infrared wavelengths.     

靶镜光学质量检测技术的研究

提出了一种利用扫描型哈特曼检测装置检验靶镜光学质量的技术.该装置对传统哈特曼检验装置的光阑进行了改进,通过扫描型哈特曼光阑的旋转扫描,可对被检靶镜全口径范围内连续采样.利用该扫描型哈特曼检测装置对一块口径为270 mm的非球面靶镜的能量集中度和波像差进行了检验,其结果与激光数字波面干涉仪的测量结果相吻合,其中能量集中度的相对测量误差为7.7%,波像差的相对测量误差为10.2%,验证了该检测技术的有效性.