大口径平面镜的计算机辅助瑞奇-康芒检验

 在瑞奇-康芒检测中,被检平面本身所固有的像散和大曲率在被检系统波像差数据中都表现为像散。由于被检平面处于发散光路中,这就使得平面面形与系统波像差之间的关系(即影响函数)变得十分复杂,推导起来十分困难,只能进行定性或半定量检测。文中介绍了如何通过计算机光线追迹模拟瑞奇-康芒检验,在两个瑞奇角下得到两组影响函数,以此建立过定方程组,由干涉仪检测得到的两个不同瑞奇角下的系统波像差,通过最小二乘法解过定方程组,拟合得到被检平面镜的面形误差;实现了大口径平面镜的定量检测,并以平面镜直接检验的面形误差作为对比,检验结果的一致验证了该方法的准确性与可行性。     

高精度瑞奇-康芒检测法研究及测试距离精度影响分析

为实现高精度瑞奇-康芒法检测,利用检测系统光瞳面与被测平面镜二者间的坐标转换关系,结合最小二乘法直接对测得的系统波像差进行恢复,通过两角度检测分离由光路调整引入的离焦误差,得到更为精准的平面镜面形。分析光路中测试距离对坐标转换关系以及瑞奇角求解精度的影响,根据仿真分析结果确定实验方案。实验中采用两角度检测,对测试波前进行恢复并分离系统调整误差后,最终得到被检平面镜面形,结果峰谷(PV)值为0.182λ、均方根(RMS)值为0.0101λ,对比干涉仪直接检测结果 PV值为0.229λ、RMS值为0.013λ,PV检测精度优于λ/20,RMS检测精度优于λ/100,实验结果证明了此种面形恢复方法的有效性以及测试距离精度分析理论的正确性,从而实现了瑞奇-康芒法高精度检测。     

大口径平面镜快速瑞奇-康芒测量法研究北大核心CSCD

瑞奇-康芒法是用小口径干涉仪检测大口径平面镜的主要方法之一。通过分析瑞奇-康芒法中球面参考镜半径、平面镜位置和瑞奇角误差对测量精度的影响,给出了3个参数的选择方法。针对瑞奇-康芒法测量时误差分离导致的测量效率低的问题,提出适用于加工过程的快速瑞奇-康芒测量法,仿真模拟该方法下被测平面镜位置、角度等定位误差对测量结果的影响,并设计实验对比验证。该方法与直测法测量间的最大偏差峰-谷值(PV)为0.0151μm,均方根(RMS)为0.0036μm,能够有效满足加工过程中面形快速测量需求。     

高精度大口径平面镜瑞奇-康芒定量检测方法研究

瑞奇 康芒法是检测大口径平面时的行之有效的方法。由于被检平面处于发散光路中,这就使得平面面形与系统波像差之间的关系(即影响函数)变得十分复杂,推导起来十分困难,故长期以来该方法只能作为一种定性或半定量的检测手段。给出了数学算法,推导出了被检平面镜面形误差与检验系统波像差之间的相互关系,实现了瑞奇 康芒的定量检测。     

利用坐标变换分析塔差对编码器测角精度测试的影响

为了实现编码器测角精度的高精度测量,介绍了应用多面棱体和自准直仪组合测量编码器测角精度的原理和方法,建立了多面棱体坐标系和自准直仪测量坐标系,利用坐标变换的方法推导了塔差对测角精度测试结果影响的精确模型。结果表明,编码器转轴的倾斜角度和倾斜方向会影响编码器测角精度的测量结果。测量误差随编码器的倾斜角度的增大而增大,且近似成平方关系。测量误差随随编码器的倾斜方向改变,倾斜方向角为0°或180°时,测量误差最小;倾斜方向角为90°或270°时,测量误差最大。当倾斜角度为5′时,引入的测量误差为0.11″~0.48″,这对于Ⅰ~Ⅲ级编码器的测试是不能忽略的。根据被测编码器的精度等级将塔差控制在恰当的范围内,给出了不同精度等级编码器测试时塔差的控制要求。     

瑞奇-康芒式大口径平面镜面形数据处理方法对比研究

为使瑞奇-康芒法检测结果更为真实地反映出被检平面镜的面形情况,对瑞奇-康芒检测数据处理方法进行研究。针对现有的数据模型,提出利用坐标转换关系法计算平面镜的面形误差。利用仿真验证坐标转换法的有效性并分析此方法的理论计算精度。通过对比实验结果与干涉仪直接检测结果可知,坐标转换法的实际PV检测精度优于1/20 ,RMS检测精度优于1/100 ,达到高精度检测要求。相比影响矩阵法结果,PV精度提高了0.013 ,RMS精度提高了0.003 7 ,证明坐标转换法更适用于瑞奇-康芒法数据处理分析。     

校直误差对平面镜偏折术面形测量的影响

偏折术中的几何结构标定误差是制约低阶面形测量精度的主要因素。分析几何结构标定中校直误差与平面镜低阶面形测量误差之间的关系,给出描述校直误差与面形测量误差之间关系的灵敏度方程和权重因子,并通过模拟和实验结果对其进行验证。结果表明,校直误差会在面形测量结果中引入倾斜、离焦、像散和彗差等像差项,且面形测量误差与校直误差成正比。本研究有助于选择合适的偏折术系统结构,以提高低阶面形测量精度,同时可为偏折术测量中面形误差的评估和分析提供理论指导。     

空间目标相对运动角参数的天基光学测量精度分析

利用在轨光学相机对空间目标进行跟踪测量,目标相对运动角参数的测量精度决定了空间目标的定轨精度。建立目标相对运动角参数测量计算数学模型,推导出相对运动角参数测量误差传递公式。通过对仿真计算结果的分析,确定出影响目标相对运动角参数测量精度的主要误差源:目标成像焦面坐标提取误差、光学相机视轴转动欧拉角测量误差与测量卫星姿态惯性角测量误差。其中,光学相机视轴转动欧拉角测量误差对相对运动角参数的测量误差影响最大,约占总误差的80%。观测条件对测量精度也有很大的影响,尤其在目标过顶时,相对运动角参数的测量误差显著增大。     

旋转波片偏振仪波片方位误差研究

旋转波片Stokes偏振仪是最常用的测量光束偏振态的仪器。波片快轴方位误差是影响旋转波片Stokes偏振仪的主要误差源之一。为了研究波片方位偏差对测量精度的影响,提出了一种描述波片快轴方位误差向最终的偏振测量误差传递的数学模型,并引入协方差矩阵法表征偏振测量误差。根据这一模型,获得最优的偏振仪配置参数。在推导过程中,假设波片方位误差服从同一高斯分布。基于此误差模型,得到如下结论：(1)由波片方位误差引入的测量误差与光强测量次数N成反比;(2)测量误差独立于入射光强度,但是依赖于入射光偏振态(s₁, s₂, s₃)和波片的位相延迟量δ;(3)波片位相延迟量在(103.22°, 116.13°)范围内时波片方位误差引入的测量误差最小。最后,经过仿真实验证明,所得解析结果与仿真模拟结果相一致。     

四分束全Stokes同时偏振成像系统波片快轴装调误差的分析及优化

建立了包含1/2波片(HWP)和1/4波片(QWP)快轴装调误差的Stokes矢量测量误差方程。分析了波片快轴的装调误差对7种典型基态入射光的Stokes矢量测量精度的影响,推导了任意入射光Stokes矢量测量误差的表征方法。仿真结果表明,偏振度越大,偏振测量误差越大,选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统性能。提出了一种波片快轴装调误差的优化方法,当测量矩阵的条件数小于1.84时,选取0.772/0.228的分束比可使波片快轴装调误差对系统偏振测量精度的影响最小。为满足2%的偏振测量精度,HWP的快轴装调误差应在±0.15°内,QWP的快轴装调误差应在±0.52°内。     

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。     

光电经纬仪测角精度分析

测角精度是影响光电经纬仪定位功能的重要因素。为了进一步提高光电经纬仪的测角精度,对测角误差进行详细分析是必要的。从光电经纬仪的总体设计出发,找出了影响测量数据获取、转换、合成中的各项误差源,并详细分析了它们的大小和性质。通过分析光电经纬仪工作原理及结构找出了主要误差源。对机架系统的误差、测角单元误差、电气系统误差、脱靶量误差、大气折射修正误差等主要误差源进行分析计算,并对各单元进行了误差分配。最后,计算了光电经纬仪投影测角精度的均方根值。分析计算结果显示:通过精心设计、加工、检测,修正可使一部分误差减小甚至忽略,但机架系统的误差、测角单元误差、脱靶量误差对测角精度的影响仍很显著;在当前工艺水平下,光电经纬仪事后空间指向精度可以达到2。     

Novel method for high accuracy figure measurement of optical flat

Phase Measuring Deflectometry (PMD) is a non-contact, high dynamic-range and full-field metrology which becomes a serious competitor to interferometry. However, the accuracy of deflectometry metrology is strongly influenced by the level of the calibrations, including test geometry, imaging pin-hole camera and digital display. In this paper, we propose a novel method that can measure optical flat surface figure to a high accuracy. We first calibrate the camera using a checker pattern shown on a LCD display at six different orientations, and the last orientation is aligned at the same position as the test optical flat. By using this method, lens distortions and the mapping relationship between the CCD pixels and the subaperture coordinates on the test optical flat can be determined at the same time. To further reduce the influence of the calibration errors on measurements, a reference optical flat with a high quality surface is measured, and then the system errors in our PMD setup can be eliminated by subtracting the figure of the reference flat from the figure of the test flat. Although any expensive coordinates measuring machine, such as laser tracker and coordinates measuring machine are not applied in our measurement, our experimental results of optical flat figure from low to high order aberrations still show a good agreement with that from the Fizeau interferometer.     

Φ2 m平面反射镜低频轮廓非接触测量设备研制进展

口径2 m的高质量平面反射镜可用于大口径光电设备像质评价和性能检测,但受使用环境影响,平面反射镜的面形精度不易长期保持稳定,因此需要在使用前对其面形精度进行现场、快速校验,而常规的全口径或子孔径干涉检测均难以满足上述需求。由于反射镜面形在制造过程引入的中高频误差已处于稳定状态,环境扰动只引入低频像差,而选择子孔径斜率扫描再重构波面低频轮廓的方法较适于面形精度现场校验。提出双五棱镜配合双测角仪进行子孔径斜率同步差分测量的方法,可改善长测量周期内环境扰动引起的随机误差。并对测量设备光学、机械及控制系统进行设计,提出采用2台S-H传感器代替传统测角仪用于子孔径斜率测量的解决方法。验证试验结果表明,波面重构算法以及仪器测角精度可满足面形测量精度需求,其与ZYGO干涉仪测量结果的互差小于20 nm（RMS）。     

基于子孔径拼接法测量高精度反射镜

为了解决高精度光学反射镜的子孔径拼接检测问题,基于最小二乘拟合,依据拼接算法建立数学模型,编制了拼接程序,同时对口径为120 mm的平面反射镜进行了拼接检测。检测中,基于标记点确定子孔径间的相对位置,完成子孔径间的对准。分别基于全口径检测结果与自检验子孔径测试结果对拼接结果进行精度分析。实验结果表明:拼接结果无拼痕,拼接结果与全口径测试结果、自检验子孔径测试结果一致; 拼接结果与全口径面形测试的PV值与RMS值的偏差分别为0.020 与0.002 ,验证了检测的可靠性和准确性。     

Calibration of geometrical systematic error in high-precision spherical surface measurement

Geometric aberrations in interferometric testing system can significantly influence the measurement results in the case of high-numerical-aperture test spherical surface, in which obvious high-order aberrations introduced by wavefront defocus could be observed and they cannot be removed with the traditional calibration method. A technique based on the rigorous model for the analysis of geometric aberrations introduced by wavefront tilt and defocus, is presented for the calibration of the corresponding geometrical systematic error. The calibration method can be carried out either with or without a prior knowledge of the spherical surface under test. The feasibility of the proposed method has been demonstrated by computer simulation, and the residual error less than 0.001λ is obtained. Experimental validation is carried out by testing a high-numerical-aperture spherical surface with the ZYGO interferometer, and an accuracy RMS about 0.003λ with the proposed calibration technique is achieved. The effect of geometric aberrations on the measurement is discussed in detail. The proposed calibration method provides a feasible way to lower the requirement on the adjusting precision of mechanical device, and is of great practicality for the high-precision measurement of high-numerical-aperture spherical surface.     

五角棱镜角度误差对建立大尺寸平面基准的影响

用一准直光束作为基线，通过９０°折转的五角棱镜扫描，建立一个参考基准面在大尺寸测量中是一种行之有效的方法。在理想条件下，五角棱镜的折转角不受入射角的影响。由于有加工误差，光束的折转角将偏离９０°，且入射光线与扫描轴间的角运动也会影响该偏转角。本文分析了五角棱镜角度误差和扫描精度对光束折转角的影响。结果表明，五角棱镜的制造误差和工作状态将引起测量带误差，该误差是一个固定的系统误差，可以通过预先对所用的五角棱镜进行标定，在数据处理中予以修正。实验结果表明，修正后的结果具有很高的精度