提取标记点中心在子孔径拼接检测中的应用

子孔径拼接干涉仪中子孔径定位精度难以在大行程范围内得到保证,为此本文提出了基于提取标记点中心定位子孔径的拼接方法。以标记点的中心坐标为标记点坐标,根据标记点在两子孔径局部坐标系下的坐标计算两子孔径之间的坐标变换,将所有子孔径数据坐标变换到统一坐标系下,利用机械误差补偿算法拼接出全口径面形。在搭建的拼接检测系统上实现了外径468 mm的平面镜抛光过程和最终的全口径面形测量,加工过程中的测量结果为面形误差修正提供了准确的数据,保证了最终全口径面形误差RMS快速收敛到35 nm。实验证明,基于提取标记点中心的子孔径拼接检测能放宽对机械定位精度的要求,有效检测大口径光学元件面形。     

基于权重的子孔径拼接优化算法研究

为了提高大口径光学元件面形拼接检测准确度,减少传统子孔径拼接算法带来的误差传递和积累,并在原有全局优化拼接算法的基础上引入权重系数,使全口径内各相邻子孔径之间的重叠区域达到最优匹配,使拼接误差最小化.利用该优化算法对平面进行了多孔径拼接仿真模拟,在此基础上对150mm口径的平面镜进行了实验,并提出基于图像边缘轮廓特征提取的子孔径定位新方法,分析了影响拼接误差的因素.仿真和实验结果均证明了基于权重的全局优化拼接算法的有效性和可行性.     

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。     

大口径连续相位板远场光强的离线测试实验

为了准确测试和评价大口径连续相位板（CPP）元件的远场光强性能,根据激光装置需求建立了351 nm波长下大口径CPP远场光强离线测试系统,开展了330 mm330 mm口径CPP元件测试实验,并与标量衍射计算结果进行对比,分析了系统的测试重复性和测试精度。实测系统远场弥散斑大小为2.9倍衍射极限,可测试最大口径为圆形f600 mm和方形430 mm430 mm。测试系统在焦点2 mm范围内的能量集中度测试重复性优于0.2 %。计算和实验焦斑形貌及分布吻合,实测能量集中度比计算结果小0.85%、焦斑半径大13 m左右,差异由实测系统的时间匀滑作用引起,可通过缩短曝光时间和减小系统像差等措施进一步提高测试精度。     

大口径光学非球面元件拼接优化及精度验证

针对磨削阶段大口径光学非球面元件拼接测量精度不高的问题,提出一种基于两段拼接的优化算法。首先根据多体系统运动学理论、斜率差值及逆推法建立两段面形轮廓的拼接数学模型;其次针对拼接算法中工件运动量和运动误差对拼接精度的影响,仿真分析了350mm非球面工件的两段拼接。仿真结果表明,随着平移误差增大,拼接误差明显增大,而当控制旋转角度在8°以内、平移量在10mm以内、旋转误差在60′以下及平移误差在3μm以下时,拼接误差的标准偏差值在0.2μm波动;最后利用Taylor Hobson轮廓仪和高精度辅助测量夹具对120mm口径的非球面光学元件进行测量实验并研究工件运动量对拼接测量精度的影响。实验结果表明,当控制平移量在10mm以内和旋转角度在8°以下时,拼接误差的标准偏差值在0.2~0.6μm之间,能满足磨削阶段光学元件亚μm级精度的面形检测要求。     

环形子孔径拼接检测中机械误差的分离

为减少环形子孔径拼接干涉检测中机械误差对检测结果造成的影响,分析环形子孔径拼接过程中机械误差作用分量的表现形式,提出了分离机械误差的全局优化的环形子孔径拼接方法。分析根据波像差理论建立的机械误差分离数学模型,然后将其应用于避免误差传递和累积的全局优化的拼接方法中,并提出利用光线追迹的方法在拼接之前除去理想非球面波前与参考球面波前的差别。应用分离机械误差的拼接方法对口径为75mm、顶点曲率半径为100 mm的抛物面面形进行检测,得到的面形峰谷值误差为0.05,均方根值误差为0.003,验证了该拼接方法可有效分离环形子孔径拼接中的机械误差。     

椭圆形平面镜的高精度面形重构技术

为了实现大口径椭圆形光学平面镜的高精度面形测量,提升大口径望远镜系统的像质,本文对椭圆形平面反射镜面形的绝对检测算法进行了研究。首先,对椭圆形镜面进行了多项式正交化拟合研究。接着,对绝对检测算法进行了理论研究,利用正交化绝对检测算法可以有效分离参考镜与待测镜的面形误差,从而实现待测椭圆形平面镜面的高精度面形重构。为了证明上述方法的实际检测精度,本文对250 mm×300 mm的椭圆形镜面进行了绝对检测模拟与检测实验。对参考镜面形精度不高的情况进行了仿真计算,实验中利用光阑在Zygo300 mm口径标准平面镜头中选取250 mm×300 mm椭圆形检测区域,采用150 mm口径Zygo干涉仪对上述椭圆形区域完成绝对检测,并基于上述正交化绝对检测算法对椭圆形平面镜实现了面形重构。实验结果表明,利用本文所述方法可以实现参考镜与椭圆形待测镜面的面形误差分离,绝对检测结果的残差图RMS(Root-mean square)值为0.29 nm,证明了本文所述方法的可行性。利用上述方法可以实现椭圆形平面反射镜的高精度面形重构。     

大口径光学平面的子孔径拼接检验研究

研究了检测大口径光学平面的子孔径拼接法。通过采用最小二乘法对相邻两个子孔径重叠区域的数据进行分析,获得了子孔径之间的拼接参量,得到了被检验镜面的整体面形信息。编制了拼接检验的计算程序,并完成了原理性实验。采用一台口径为100mm的移相干涉仪检测了两个样品,给出了拼接检测与全口径检测的对比结果。样品的口径分别为100mm和91mm。对比检测结果表明,拼接检测与直接检测两种方法的RMS之差小于5nm。     

经纬仪主镜在支撑系统下的面形变化

为研究在重力作用下主镜支撑系统对经纬仪主镜处于不同工作角度时面形误差的影响,以600 mm口径主镜为研究对象,利用Abaqus软件分别建立了600 mm主镜在加工状态下和工作状态下的有限元支撑模型,并进行了重力变形分析,然后借助4D干涉仪对在不同支撑系统下的主镜进行相关的面形检测。实验结果表明,在吊带支撑系统和主镜室支撑系统下,主镜的自身面形误差RMS为16.18 nm和16.90 nm。利用有限元分析了理想状态的主镜在不同仰角工况下的面形误差,结合主镜自身的面形误差,计算得到了主镜面形误差在光轴由水平变化到竖直的过程中逐渐变大,其RMS最大为19.58 nm,表明该主镜室支撑系统具有良好支撑效果,可满足工程要求,同时也验证了主镜室支撑系统有限元理论模型的准确性。     

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。     

非零位凸非球面子孔径拼接检测技术研究

为了实现大口径凸非球面镜的高精度检测,本文研究了凸非球面非零位子孔径拼接检测技术,并建立了一套非零位拼接检测算法模型,模型中分别针对同轴子孔径与离轴子孔径非零位检测时所引入的测试误差进行了建模分析,同时对测试误差剔除、拼接系数求解、全口径面形获得等问题进行了研究。最后,结合工程实例,对一口径为130 mm的凸双曲面进行了拼接检测,分析了该非球面各测试子孔径非零位检测误差形式,同时进行了误差剔除、全口径面形获取等工作。从拼接结果中可以看出,拼接结果光滑、连续、无拼接痕迹。为了进一步验证拼接精度,我们将拼接结果与子孔径检测结果进行对比,引入了自检验子孔径评价方法,计算得到自检验子孔径与拼接结果在自检验子孔径范围内的残差图,二者残差图的PV值与RMS值分别为0.016λ与0.003λ,由上述结果可以得到自检验子孔径的测试结果与拼接结果在自检验子孔径范围内是一致的,从而验证了本文算法的拼接精度。     

环形子孔径拼接干涉检测非球面的建模与实验

为实现球面波干涉检测非球面镜片,得到非球面镜片的完整面形信息,提出了基于标记的Givens变换,实现环形子孔径的精确定位和消旋转的处理.利用求解目标函数最小值的方法精确求解拟合波面以对子孔径数据进行处理,建立了全局优化拼接数学模型.对外径150 mm,内径100 mm的抛物面镜片进行三孔径拼接检测实验,均方根值为0.053 λ.对比补偿器法得到的全口径干涉检测结果均方根值△Wrms=0.052 λ,相对误差为1.92%.实验结果表明,该方法稳定可靠,降低了传统的环形子孔径拼接干涉检测方法中对导轨的高精度要求.     

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.     

大口径连续相位板拼接检测误差分析

对大口径连续相位板（CPP）在子孔径拼接检测过程中存在的几种影响检测精度的主要因素, 包括定位误差、系统误差和拼接模式等进行了归纳并分析了其对检测精度的影响权重。通过对子孔径重叠区域分布的均匀性计算，分析了检测误差对拼接质量的影响。结果表明，定位误差是影响CPP拼接精度的主要原因，而对系统误差进行有效处理可以进一步减小重叠区非均匀性，拼接模式的选择对CPP的拼接结果的影响有限。通过CPP深度特性对重叠区域均匀性的统计分析表明，在像素级别的检测中，重叠区域均方根残差随着CPP深度的增加而线性增加，即拼接精度随CPP深度的增加而降低。     

大口径离轴凸非球面系统拼接检验技术

针对大口径离轴凸非球面面形检测的困难,本文将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接干涉技术相结合,提出了凸非球面系统拼接检测方法。对该方法的基本原理和具体实现过程进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型。当离轴三反光学系统的主镜和三镜加工完成以后,对整个系统进行装调和测试,并依次测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值可以求解得到大口径非球面全口径的面形信息,从而为非球面后续加工和系统的装调提供了依据和保障。结合工程实例,对一口径为287 mm×115 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,经过两个周期的加工和测试,其面形分布的RMS值接近1/30λ(λ=632.8 nm)。     

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)。     

振动对面形测量误差的影响分析

振动会使高精度面形测量产生误差。建立了振动对干涉测量面形的误差模型,应用13步移相算法分析了在振幅为63 nm时的误差情况。分析结果表明,当面形测量误差的敏感频率为12 Hz时,振动引起的面形均方根(RMS)误差约为12 nm。通过实验进行了验证,仿真分析结果和实验结果基本相同。实验分析了在12 Hz时,振幅为5~63 nm时,对应的测量面形RMS误差为1~7.1 nm,振幅和RMS误差线性增大。为不同振动频率和振幅引起的面形RMS的误差分析和高精度面形测量的振动环境控制提供了一定的参考。