非球面非零位环形子孔径拼接干涉检测技术

提出了一种新型的非零位环形子孔径拼接干涉检测技术(NASSI)用以检测深度非球面面形误差。该方法结合了传统非零位干涉检测法与环形子孔径拼接法,采用部分零位镜替代了标准环形子孔径拼接干涉仪中的透射球面镜,产生非球面波前用以匹配被测面不同子孔径区域。该非球面波前比球面波前更加接近被测面的名义面形,使所需的子孔径数目大大减少。一方面增大了环带宽度和重叠区,提高了拼接精度;另一方面减少了各种误差累积次数。同时,配合基于系统建模的理论波前方法分别校正各个子孔径的回程误差,进一步提高了检测精度。对非球面度为25μm的高次非球面的计算机仿真检测结果表明该方法具有很高的理论精度。针对口径101mm的抛物面进行了实验检测,多次实验结果均与ZygoR○VerifireTMAsphere干涉仪检测结果一致,峰谷(PV)值误差优于λ/20,均方根(RMS)值误差优于λ/100,表明了NASSI方法的高精度与高重复性。     

使用环形子孔径拼接检测大口径非球面镜

针对高精度大口径非球面镜通常存在定量检验方法(补偿器法、全息法、自准直法)所需要的辅助元件制造困难、成本高这两个主要难点,利用不同曲率半径的参考球面波前来匹配被测非球面表面不同的环带区域,使它们之间的偏离量减小到在小口径干涉仪的测量范围内,每次测量仅是被测表面的一部分,通过算法"拼接"可得到全孔径的面形信息。给出了其拼接数学模型、参量求解方法及其精度评定判据。仿真分析表明,该技术是切实可行的,算法具有较高的拼接精度。该方法无需辅助光学元件就可实现对大口径、大相对口径非球面的直接测量,且具有很宽的适用范围。     

子孔径拼接检测非球面的初步研究

使用子孔径拼接技术可以无需补偿器、大口径的辅助镜、全息图等辅助元件实现对大口径、大偏离量、高陡度非球面甚至离轴非球面的检验,而且可以同时获得中高频的相位信息,大大地提高了测量精度,降低了成本。在总结了常用检测非球面方法优缺点的基础上提出了利用圆形子孔径、环形子孔径检测非球面的基本原理,并对其步骤的实现、数学模型的建立和拼接算法的开发进行了分析和研究。结果表明,子孔径拼接检测技术可以作为补偿检验以外的另一种定量测试非球面的手段,可以和其它检测方法相互验证,从而确保检测的准确性和可靠性。     

以环形子孔径法检测大口径非球面主镜的研究进展

环形子孔径法是一种无需辅助元件就能实现对大口径、大相对口径非球面检测的“柔性”测试技术。介绍了该技术的工作原理,对两种分别基于测量相位值和Zernike多项式系数的拼接算法进行了仿真分析,并进行了初步的原理性实验验证。结果表明该技术是切实可行的,具有检测大口径非球面镜的潜能。最后,在对现有研究结果综合分析的基础上,提出了应用该技术检测m量级非球面主镜的实验方案。     

环形子孔径拼接检测的中心偏移误差补偿

为了减小非球面环形子孔径拼接测量时的中心偏移误差,根据检测原理及几何关系,分析了中心偏移误差在面形测量中的作用机理,推导了中心偏移误差模型,并在此基础上提出了一种基于二维像素矩阵的中心偏移误差补偿方法.该方法可以有效地得到初始面形测量数据的中心偏移量,在拼接之前减小由中心偏移误差引起的波前偏差的剔除误差,同时减小各环形子孔径中心之间的偏差.利用Zygo干涉仪进行了非球面环形子孔径拼接的中心偏移误差补偿实验,与零位检测结果相比,峰谷值残差为-0.015λ,均方根残差为0.003λ,表明该补偿方法大大减小了面形测量误差,提高了环形子孔径拼接的测量精度.     

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。     

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。     

子孔径拼接干涉检测离轴非球面研究

将子孔径拼接技术与干涉技术相结合提出了一种新的检测离轴非球面的方法,该方法无需其他辅助光学元件就可以实现对大口径、离轴非球面的测量.对其基本原理进行了分析和研究;并基于齐次坐标变换、最小二乘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的算法软件,并设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置;利用综合优...     

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Φ120 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 λ与0002 λ,验证了检测的可靠性和准确性。     

子孔径拼接技术应用的研究

大口径光学元件的检测开拓了子孔径拼接应用的新领域。采用小口径干涉仪对大口径被测元件不同区域进行波前检测,然后恢复计算出被测波前。使用光学设计软件ZEMAX对子孔径检测拼接技术进行了模拟,模拟结果表明：波前检测相对误差小于4.3λ‰,实现了对大口径光学元件面形的高精度检测,避免了相同口径检测干涉仪的使用,降低了检测成本及难度。     

大口径凸非球面反射镜的拼接检测算法研究

大口径凸非球面子孔径拼接干涉检测中的各子孔径之间为离轴形式,各子孔径之间除了平移和倾斜变换外,还含有旋转变换,测量结果中不可避免地会出现参考面未对准的情况,当进行数据拟合处理时,需要把由未对准造成的误差去除。本文在平面检测的最小二乘拟合基础上,对拟合算法进行了改进,从而实现了离轴子孔径的拼接检测拟合。为了验证算法的有效性,采用Matlab对口径为1m的大口径凸非球面的子孔径拼接检测的拟合过程进行了仿真实验,实验结果表明,离轴式大口径凸非球面干涉检测的子孔径拼接可采用改进后的最小二乘法拟合而成,且拟合精度可达到0.0048λ。     

子孔径拼接技术在长平晶计量中的应用研究

研究子孔径拼接在长平晶测试中的应用。讨论了子孔径拼接的基本原理,建立了子孔径拼接模型,确定了进行长平晶拼接测试的基本算法。根据最小二乘法的基本原理,编制了子孔径拼接数据处理程序,通过使用该程序,可以有效地修正测试过程中产生的倾斜量。进行了长平晶拼接检测实验,拼接结果与全孔径检测结果进行了比较,结果表明,该程序能够满足长平晶的检测要求。     

基于子孔径拼接的Hindle球检测法

为了能够准确获取基于子孔径拼接的Hindle球检测大口径双曲面镜的Hindle球参数,研究了Hindle球检测凸双曲面镜的理论模型,并从几何光学入手,讨论了基于子孔径拼接的Hindle球检测法的系统结构,推导了符合子孔径拼接要求的小口径Hindle球的参数计算式。对一个凸双曲面镜进行了在不同测量环带数目下的基于子孔径拼接的Hindle球检测法和经典Hindle球检测法的Hindle球参数对比。结果表明该Hindle球检测方法使Hindle球参数更合理。     

子孔径拼接干涉检测中去倾斜处理技术

 倾斜放置对大口径光学元件的检测有很大影响，为了防止在子孔径拼接干涉检测中倾斜所导致的数据丢失等严重后果，并且实现不同次检测的结果可以相互比较，提出了一种软件修正倾斜量的方法。通过对读出的图形数据进行反向倾斜来降低检测中的元件倾斜程度，避免了实际检测过程中手工操作无法达到极小角度修正的困难。通过实验，验证了该方法的可行性和有效性，实现了大口径光学元件正确的子孔径拼接检测，完成了多次检测结果之间的相互比较，结果表明，残差平均值仅为0.12λ（λ=633nm)。     

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。     

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。     

子孔径拼接检测非球面时调整误差的补偿

针对在子孔径拼接测量非球面的过程中干涉仪与待测非球面相对位置存在的对准误差,提出了一种基于模式搜索迭代算法的调整误差补偿方法。该方法可以很好地从测量的子孔径相位数据中消除由拼接测量位置没有对准带来的调整误差,实现多个子孔径的精确拼接。对该方法的基本原理和实现步骤进行了分析和研究,建立了子孔径拼接测量的调整误差补偿模型。对口径为230 mm×141 mm的离轴碳化硅非球面反射镜进行了调整误差补偿和相位数据拼接,得到了精确的全口径面形分布。作为验证,对待测非球面进行了零位补偿检测,结果显示两种测试方法的面形PV值和RMS值的相对偏差仅为0.57%和2.74%。     

Aspheric surface measurement based on sub-aperture stitching interferometry

In order to test convex aspheric surfaces without the aid of other null optics, a novel method combined sub-aperture stitching and interferometry called SSI （sub-aperture stitching interferometry） is introduced. In this letter, the theory, basic principle, and flow chart of SSI are researched. A synthetical optimization stitching mode and an effective stitching algorithm are established based on homogeneous coordinate＇s transformation and simultaneous least-squares fitting. The software of SSI is devised, and the prototype for testing of large aspheres by SSI is designed and developed. The experiment is carried out with five sub- apertures for a convex silicon carbide （SIC） aspheric mirror with a clear aperture of 130 ram. The peak-to- valley （PV） and root-mean-square （RMS） error are 0.186 λand 0.019 λ, respectively. For the comparison and validation, the TMA system which contained the convex asphere is tested by interferometry. The wavefront error of the central field of the optical system is 0.068 λRMS which approaches to diffraction limitation. The results conclude that this technique is feasible and accurate. It enables the non-null testing of aspheric surfaces especially for convex aspheres.     

基于子孔径拼接原理检测大口径光学元件

为了实现小口径干涉仪对大口径光学元件的低成本、高分辨力检测,可采用子孔径拼接方法。在对拼接算法进行改进的基础上,开发了拼接检测软件;建立了一套拼接检测系统,开展了大口径平面光学元件的子孔径拼接检测实验研究。利用9个60 mm×60 mm子孔径拼接来检测120 mm×120 mm的光学元件,检测结果表明:峰谷值误差为2.37%,均方根值误差仅为0.27%。