大口径球面反射镜曲率半径的精确测量

介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法,提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型,调整干涉仪与被测镜的位置,使被测镜达到零条纹干涉状态,然后架设合理长度组合测杆,调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置,使之达到零条纹干涉状态,再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量,通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析,并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量,测得其曲率半径均值为2 836.774 mm,标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析,找出了影响测量精度的主要因素,合成标准不确定度为0.061 mm。     

大口径球面反射镜曲率半径的精确测量

介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法,提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型,调整干涉仪与被测镜的位置,使被测镜达到零条纹干涉状态,然后架设合理长度组合测杆,调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置,使之达到零条纹干涉状态,再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量,通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析,并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量,测得其曲率半径均值为2 836.774 mm,标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析,找出了影响测量精度的主要因素,合成标准不确定度为0.061 mm。     

激光差动共焦曲率半径测量不确定度评定

曲率半径是球面光学元件中的重要参数之一,曲率半径的高精度测量已经成为光学元件使用与加工中的一个关键问题。提出了基于差动共焦法的曲率半径测量方法,研制了1套激光差动共焦曲率半径测量系统,并对2组曲率半径测量结果进行不确定度评定。结果表明,2组曲率半径的测量值均与标称值吻合,其相对误差为0001 15%,两组测量数据的标准不确定度均优于3211 11×10-4 mm。     

激光差动共焦曲率半径测量不确定度评定

曲率半径是球面光学元件中的重要参数之一,曲率半径的高精度测量已经成为光学元件使用与加工中的一个关键问题。提出了基于差动共焦法的曲率半径测量方法,研制了1套激光差动共焦曲率半径测量系统,并对2组曲率半径测量结果进行不确定度评定。结果表明,2组曲率半径的测量值均与标称值吻合,其相对误差为0.001 15%,两组测量数据的标准不确定度均优于3.211 1110-4 mm。     

一种微米级高度台阶镜面条纹反射的三维测量系统

提出了一种检测微米级高度衍射台阶结构的条纹反射三维检测方法.对条纹反射光路的理论分析表明,合理选择入射光线角度和液晶屏放置角度以及液晶屏像素尺寸等系统参数,条纹反射系统能够分辨微米乃至亚微米级的镜面台阶.实际构建了一套微米级台阶镜面条纹反射测量实验装置;采用四步相移法进行条纹相位解算,运用移动屏幕方法确定反射光线方程,结合三角交汇原理,对待测台阶镜面进行三维重构.实际测量了名义值为5μm和10μm的台阶镜面,测量结果不确定度在0.5μm内,和商业仪器测量结果的偏差<0.5μm,证明了设计方法的可行性.本文结果对于包含衍射台阶结构的光学元件三维测量研究具有一定的借鉴意义.     

一种精确测量光学球面曲率半径的方法

在简要总结各种检测光学球面曲率半径方法优缺点的基础上,提出了利用激光跟踪仪和激光干涉仪测量光学球面曲率半径的新方法。首先,通过激光跟踪仪精确定位测量干涉仪出射球面波前的焦点和待测球面镜的曲率中心点坐标,再调整待测球面镜与干涉仪的相对位置,使待测球面镜达到零条纹干涉状态,用激光跟踪仪测定此时待测球面镜上多点的位置坐标,通过计算分析即可得到待测球面镜的曲率半径。研究和分析了这种测量光学球面曲率半径方法的基本原理,并提出了针对凸球面镜曲率半径的多区域测定平均综合优化的方法。结合实例对一口径为400mm的球面透镜进行了曲率半径的测量,测量得到其两面曲率半径分别为1022.283mm(凸面)和4069.568mm(凹面),并将该透镜进行了轮廓法测量对比,其相对误差都小于0.05%。     

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′。     

用于微位移测量的笔束激光干涉仪

介绍了一种基于空间干涉原理的亚微米零差干涉位移测量方法。该方法是对笔束激光干涉仪在微位移测量领域的应用 ,干涉仪的测量精度不受光束波前畸变等光源噪声的影响。给出了干涉仪主要结构参数的选取原则 ;构建了用于微位移测量的笔束激光干涉仪实验系统。实验结果表明 ,该系统具有纳米测量分辨率。     

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。     

基于多波长干涉的瞬态轮廓检测Mirau显微镜

针对单波长Mirau干涉显微镜存在测量范围小和2π模糊等问题,提出了多波长Mirau偏振干涉显微镜,以实现微观轮廓的大动态范围测量的和表面粗糙度等显微结构的瞬态检测。系统利用R、G、B三个单色LED光源实现多波长干涉;利用彩色偏振相机获取瞬态相移干涉条纹图,降低实时瞬态检测中复杂的环境扰动影响;利用线栅偏振片调节条纹对比度,满足不同被测对象的反射率检测要求。为验证系统方案的可行性,经过系统误差补偿校准后测量标称值为1.993 9μm的标准微米台阶,结果与标称值的偏差约为5.4 nm。利用该方法与Wyko干涉仪对金刚石车削凸面反射镜表面微观轮廓和表面粗糙度进行测量,表面粗糙度测量结果均方根值偏差为3.7 nm,验证了该系统可实现高精度的大动态范围测量。     

相位恢复测量长焦距镜面

针对长焦距光学镜面检测中测量光路长,振动干扰较大,不容易用干涉仪进行面形检测的难题,提出了一种基于相位恢复技术的测量方法.该方法用相干点光源照射被测镜,采集一系列焦点附近的衍射光强图像,然后运用相位恢复算法得到镜面面形误差分布.利用衍射光学理论建立了测量模型,并用基于Gerchberg-Saxton算法的迭代算法求解模型.然后仿真验证了光场传播模型的可靠性和测量算法的有效性,并用该方法测量了一块曲率半径8 700 mm,口径145 mm的球面镜.通过对光强图像位置进行优化,并选择适当离焦位置的图像,最终恢复出了镜面面形.相位恢复测量的结果与动态干涉仪测量结果基本一致,并且测量装置简单,对环境要求低.     

相位恢复测量长焦距镜面(英文)

针对长焦距光学镜面检测中测量光路长,振动干扰较大,不容易用干涉仪进行面形检测的难题,提出了一种基于相位恢复技术的测量方法.该方法用相干点光源照射被测镜,采集一系列焦点附近的衍射光强图像,然后运用相位恢复算法得到镜面面形误差分布.利用衍射光学理论建立了测量模型,并用基于Gerchberg-Saxton算法的迭代算法求解模型.然后仿真验证了光场传播模型的可靠性和测量算法的有效性,并用该方法测量了一块曲率半径8700mm,口径145mm的球面镜.通过对光强图像位置进行优化,并选择适当离焦位置的图像,最终恢复出了镜面面形.相位恢复测量的结果与动态干涉仪测量结果基本一致,并且测量装置简单,对环境要求低.     

双向剪切干涉法测量高斯光束远场发散角

对双向剪切干涉理论和高斯光束传输特性进行了研究.提出了一种测量高斯光束远场发散角的方法：利用双向剪切干涉仪分别在激光传输路径上两个特定位置测出波前曲率半径,然后由曲率半径得出发散角.通过理论推导建立了相应的检测模型,并对模型进行了实验验证.实验测量和误差分析表明该方法的测量准确度能达到10″;发散角测量准确度的主要影响因素为干涉条纹宽度测量误差.     

光栅尺测长式激光差动共焦曲率半径测量系统

为了增强高精度曲率半径测量仪器的抗环境干扰能力,满足现场使用需求,研制了一套基于光栅尺测长的激光差动共焦曲率半径测量系统。该系统利用差动共焦轴向光强响应曲线的过零点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,对被测样品的猫眼位置及共焦位置进行精确瞄准定位,并借助光栅尺测长得到透镜猫眼位置与共焦位置之间的距离,实现曲率半径的测量。实验表明,该系统相对测量精度优于510-6,满足高精度曲率半径测量的精度需求。     

一种基于圆度仪的平行度、平面度测量方法

高精度坐标测量机单轴测量不确定度U95一般约为0．6μm，加上导轨直线度误差，则坐标测量机对平行度、平面度测量的扩展不确定度U95约在1μm。等厚干涉仪可解决高精度的平面度测量问题(如平晶的检定)，但平行度却缺乏更高精度的测量方法，并且当测量须针对零件端面上的特定点位时，等厚干涉仪也无能为力。而在高精度圆度仪上，不需改动任何硬件和软件可以解决上述问题。圆度仪对圆端面平面度和平行度的测量是可通过工作台主轴旋转的圆周运动和横臂带动测头的径向运动来实现，测量数据点位呈几个同心圆分布。由于为了实现圆度仪上的多圈采点测量，必须在工件端面径向移动测头，这就将圆度仪横臂导轨的直线度和相对于主轴的不垂直度带入了平面度和平行度的测量中，使得这两项误差直接影响到最终的测量结果，因此必须加以修正。     

迭代最小二乘法用于非线性移相器的标定

针对移相干涉仪中移相器的非线性会影响测量结果准确性的问题,提出了一种基于迭代最小二乘拟合的标定干涉仪移相器的新方法。对移相器加电压并采集若干幅干涉图后,通过在帧间和帧内迭代开展最小二乘拟合可计算出干涉图间移相值,从而得出了电压值与移相值的对应关系曲线,通过对曲线作非线性拟合并对电压值进行精密调整,完成移相器的精确标定。在改造后的干涉仪上对此标定方法进行验证,与Zygo干涉仪相比,相同元件下两者测量结果之差的RMS值为1.726 nm。该标定方法可以降低高精度面形测量干涉仪对移相器线性度的要求。     

利用环形子孔径拼接法检测非球面反射镜

为解决高精度检测非球面反射镜的难题,提出利用Zygo干涉仪完成非球面环形子孔径检测。通过移动待测非球面,使得由干涉仪产生的参考球面波,以不同的曲率半径匹配待测非球面的各个环带区域,分别测试每个环带,进而完成对整个非球面的拼接检测。以双曲面反射镜为例进行拼接检测,并搭建辅助光路,利用无像差点法对拼接结果进行验证。验证结果表明:该方法测量误差小于1/20 （=632.8 nm）。     

高精度光电探测器的线性测量

介绍了一种高精度的光电探测器线性测量系统,讨论了线性测量的方法,确定以光束叠加法为线性测量系统的基础.设计了测量系统,以944 nm激光器为光源,测量了Si陷阱探测器和InGaAs陷阱探测器的非线性因子.实验结果表明,利用该系统在0.1～200μW的入射光功率范围内.Si陷阱探测器非线性因子平均值小于0.009%,联合不确定度小于3.18%;InGaAs陷阱探测器非线性因子平均值小于0.6%,联合不确定度小于6.87%.实验结果证明该系统可以作为高精度光电探测器线性测量装置.     

总装调对心干涉仪的设计与测量精度分析

为了满足大口径光学系统各分立元件的高精度对心要求 ,设计制造了总装调对心干涉仪。介绍了仪器的工作原理及关键结构工艺 ,并对影响偏心测量的因素进行了讨论。仪器的测量精度同被测镜的曲率半径及两测量点的间距有关。当被测镜的曲率半径小于 1.5 m、两测量点的间距为 5 0 0 mm时 ,其偏心测量精度小于 1μm,仪器的测量偏心角度的最小格值达 0 .12     

基于白光干涉的光学球面半径测量研究

光学球面曲率半径是决定光学球面光学特性的重要参量,通过测量光学球面的曲率半径，可以审核光学元件设计制造质量。在基于白光干涉理论基础上，将莫尔光栅位移测量系统及CCD数字图像采集处理系统集成到迈克尔逊干涉仪上，利用CCD数字图像处理技术，构建了光学球面曲率半径自动测量系统。该测量系统对于大曲率半径的光学球面测量精度较高；对于半径R＝71.2037mm的光学球面,其测量标准误差σR＝0.4723mm。实验结果表明：设计的光学球面自动测量系统可以对大曲率半径光学球面实现高精度测量。