非球面测量中零位计算全息的测量不确定度分析研究

非球面在光学系统中具有非常重要的作用.基于零位补偿计算全息(CGH)的干涉测量方法,因精度高、信息量大、调校方便,在光学计量和制造业领域受到广泛重视.以F数为4抛物面为测量样品,以光学计量领域比较成熟的平面、球面波象差,采用自准直方法,测出抛物面面形波象差;再用零位补偿CGH方法测量同一块样品,研究零位补偿CGH的误差...     

矩形口径离轴非球面在数控加工过程中的检测

介绍了空间相机中的离轴非球面第三反射镜 (矩形口径 )在数控加工过程中在研磨和抛光阶段的检测情况。利用自行研制的非球面测量机对研磨阶段离轴非球面的面形精度进行了测量 ,其最后的研磨精度达到了 1 μm(RMS)。抛光阶段离轴非球面的检测采用的是补偿法 ,其中零位补偿器是补偿检验的关键元件。该离轴非球面的最终面形达到了在 2 0 0mm通光口径内约λ/30的精度 (λ=0 .632 8μm)。     

非球面数字波面检测技术

提出了一种快速检测浅度非球面（非球面度小于0.01 mm）的方法,该方法无需补偿器或其他辅助光学元件进行零位补偿。用移相干涉仪直接测量正轴或离轴的浅度凹非球面,剔除平移、倾斜、失焦等调整误差后,得到实际被测镜面的面形分布数据;根据正轴或离轴的浅度凹非球面矢高方程计算理想非球面的面形分布数据,得到理论波面数据,用实测的面形分布数据减去理论的面形分布数据即可得到被检非球面的剩余波像差,即面形误差。利用该方法测量了一口径为135 mm的双曲面,并用零位补偿法加以验证。两种方法的检测结果精度相当,说明数字波面法可实际应用于正轴或离轴的浅度凹非球面的检测。     

矩形口径离轴非球面镜的加工与检测

介绍了240mm×180mm矩形口径离轴双曲面反射镜的加工与检测。提出了一种通过配块把矩形镜拼接成母镜来实现离轴镜加工的方法。完成了最佳比较球面和最大非球面度等工艺参数的计算。抛光阶段的非球面检测采用零位补偿法,其中零位补偿器是补偿检验中的关键元件。该离轴双曲面镜的最终面形RMS达到了0.02λ,满足了设计要求。     

低空间频率组合计算全息元件检测深度非球面

计算全息元件(CGH)可实现光学非球面的零位干涉高精度检测,但深度非球面的非球面度以及非球面度梯度均较大,使检测所需CGH的局部空间频率偏大,加工困难。提出一种用组合CGH检测深度非球面的方法,该方法通过组合两个低空间频率CGH,实现深度非球面检测时所需的单个高空间频率CGH的功能。由一维线性光栅模型推导组合CGH与传统单个CGH空间频率的关系,并由此给出组合CGH初始相位,逐步优化可求得最佳相位。以最大非球面度193.434μm、最大非球面度梯度75.788μm/mm的深度非球面为测试样例,设计了单个CGH和组合CGH,残留波前误差均小于λ/250,组合CGH最大空间频率约为单个CGH的50%。设计了辅助装调CGH减小装调误差的影响,并分析了组合CGH之间俯仰倾斜偏差、中心偏差以及轴向定位偏差对检测精度的影响。     

用计算全息图检测非球面时的自补偿效应分析

用计算全息图(CGH)检测非球面时,除了设计零位补偿CGH外,还往往设计辅助调节CGH,从而可以利用干涉图来精确调节CGH的位置。针对这种同时具有零位补偿和辅助调节功能的CGH,提出零位补偿CGH和辅助调节CGH之间具有相互补偿效应。针对一高次非球面,设计了四种不同的CGH配置方案,而后逐一分析了零位补偿CGH和辅助调节CGH之间的补偿效应。分析结果表明,在相同的基板误差的条件下,具有自补偿效应的配置方案的Power项误差小于其他方案的1/40,而球差和高阶球差则小于其他方案的1/70。利用具有自补偿效应的配置方案加工制作了CGH,用此CGH完成了对非球面的加工检测迭代,非球面面形的收敛精度均方根(RMS)达到0.48 nm。     

光学自由曲面的检测方法

针对自由曲面光学元件离轴像差小,应用广泛,但检测难度大,加工精度不够高等特点,对现行的自由曲面光学检测方法进行了分析。提出了在自由曲面光学元件的不同加工阶段宜采用不同的检测手段,根据加工的步骤依次采用三坐标机、轮廓仪、光学干涉测量等方法为好。介绍了子孔径拼接技术的发展,叙述了利用计算全息(CGH)和反射光栅摄影测量法检测光学自由曲面等两种有着良好发展前景的方法。最后,给出了利用CGH检测三次位相板的实例。     

大型光学红外望远镜拼接非球面子镜反衍补偿检测光路设计

为了实现大口径、长焦距、批量化离轴镜面的高精度面形检验,本文提出了一种零位反衍补偿检测方案,采用计算全息和球面反射镜共同对离轴镜面法向像差进行补偿,检测光路波像差残差接近于零。检测方案为非轴对称离轴结构,设计了相应的全息对准光路,以保证检测光路装调切实可行。不同离轴量子镜检测光路参数完全一致,仅需更换相应位置计算全息片、调整待测镜空间姿态,即可实现不同类型镜面的快速批量化检验。误差分析结果表明,由补偿元件制造误差、光路失调、干涉仪面形测量重复性以及干涉仪标准球面波偏差引起的待测镜面形误差小于λ/40 (RMS值,λ=632.8 nm)。     

子孔径拼接干涉检测凸非球面的研究

在总结各种检测凸非球面方法优缺点的基础上,提出了利用子孔径拼接干涉检测凸非球面的新方法。利用标准球面波前作为参考波面,用干涉法逐次测量非球面各区域的相位分布,去除参考波面偏差以及调整误差后,通过子孔径拼接算法就可以重构凸非球面全口径的面形分布。研究和分析了该方法的基本原理和基础理论,开发了综合优化和误差均化的子孔径拼接算法。设计和研制了子孔径拼接干涉检测装置,并结合实例对口径为140 mm的碳化硅凸非球面进行了子孔径拼接测量,得到了精确的全口径面形分布,其面形分布的峰值(PV)和均方根(RMS)值偏差分别为0.274λ和0.024λ(λ=632.8 nm),且对该非球面进行零位补偿测量,其全口径面形与拼接全口径面形是一致的,面形分布的PV和RMS值的偏差仅为0.064λ和0.002λ,从而提供了又一种定量测试凸非球面的手段。     

计算全息和零位补偿组合法检测非球面

本文提供了一种用计算全息和零位光学系统组合补偿检测非球面的方法,实验证明该方法检测非球面面形偏差时,精度达λ/10。     

光学自由曲面的检测方法

针对自由曲面光学元件离轴像差小，应用广泛，但检测难度大，加工精度不够高等特点，对现行的自由曲面光学检测方法进行了分析。提出了在自由曲面光学元件的不同加工阶段宜采用不同的检测手段，根据加工的步骤依次采用三坐标机、轮廓仪、光学干涉测量等方法为好。介绍了子孔径拼接技术的发展，叙述了利用计算全息（CGH）和反射光栅摄影测量法检测光学自由曲面等两种有着良好发展前景的方法。最后，给出了利用CGH检测三次位相板的实例。     

非球面碳化硅反射镜的加工与检测

为了获得高精度非球面碳化硅(SiC)反射镜,对非球面碳化硅反射镜基底以及改性后碳化硅反射镜表面的加工与检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ-2非球面数控加工设备。采用轮廓检测法和零位补偿干涉检测法分别对碳化硅反射镜研磨和抛光阶段的面形精度进行了检测,并采用零位补偿干涉检测法及表面粗糙度测量仪对最终加工完毕的碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度进行检测。测量结果表明：各项技术指标均满足设计要求,其中非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）为0.016λ(λ=0.6328μm）,表面粗糙度（RMS值）为0.85nm。     

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。     

激光跟踪仪检验非球面面形的方法

通过扩充激光跟踪仪的现有功能,提出了一种适用于非球面研磨和粗抛光阶段以及中低准确度非球面面形的快速检测方法.分析了测试原理,设计规划了检测流程.利用激光跟踪仪的靶标球对非球面表面进行多点接触测量,并将测量的结果与非球面CAD模型进行分析对比、处理和运算,获得非球面的面形分布信息,结合实例对一口径为420 mm×270 mm的离轴非球面进行了面形检测,并与零位补偿结果进行对比,结果表明,两种方法测试的面形误差分布是一致的,其峰谷值和均方根值的相对偏差分别仅为6.22％和3.37％.该方法无需其它辅助光学元件就能够准确地实现对大口径非球面面形的检测,测试数据处理和数学运算简单,实验操作简单易行.     

激光跟踪仪检验非球面面形的方法

通过扩充激光跟踪仪的现有功能,提出了一种适用于非球面研磨和粗抛光阶段以及中低准确度非球面面形的快速检测方法.分析了测试原理,设计规划了检测流程.利用激光跟踪仪的靶标球对非球面表面进行多点接触测量,并将测量的结果与非球面CAD模型进行分析对比、处理和运算,获得非球面的面形分布信息.结合实例对一口径为420 mm×270 mm的离轴非球面进行了面形检测,并与零位补偿结果进行对比,结果表明,两种方法测试的面形误差分布是一致的,其峰谷值和均方根值的相对偏差分别仅为6.22%和3.37%.该方法无需其它辅助光学元件就能够准确地实现对大口径非球面面形的检测,测试数据处理和数学运算简单,实验操作简单易行.     

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。     

离轴非球面反射镜补偿检验的计算机辅助装调技术研究

利用零补偿器实施离轴非球面元件面形的干涉检测中,为了实现反射镜的高准确度检测,对其干涉结果中的误差信息进行了分析.根据零补偿器的补偿原理,提出一种新的调整误差分离方法,建立了离轴非球面补偿检验的调整误差分离模型,并利用该模型对一块离轴非球面反射镜进行了仿真实验.调整前由调整误差引入的波像差为0.2332λRMS(λ=632.8nm),根据仿真结果调整后的波像差为0.0026λRMS,表明该方法具有较高的准确度,可有效提高检测效率.     

利用计算机辅助装调检测矩形大口径离轴非球面的方法研究

通过非球面的零位补偿法,完成了对矩形大口径离轴非球面镜的检测。先用光学设计软件Zemax从理论上分析了在检测中会出现的现象,并结合计算机辅助装调技术,确定在检测过程中相对敏感的自由度,然后控制这些量,使补偿器和非球面的相对关系与理论设计相吻合,在Zygo相位干涉仪上测得最终结果。在λ=632.8nm时,中心圆口径与两个边缘圆口径面形误差RMS分别为0.022λ,0.037λ,0.032λ。检测结果,达到预期目的。     

基于非线性优化方法的离轴非球面轮廓测量面形恢复技术

轮廓测量是非球面光学镜面的重要测量手段,然而在测量过程中由于测量坐标系与理论坐标系间存在偏离,测量结果中存在误差。本文分析了离轴非球面的测量坐标系与理论坐标系间的平移和偏转误差在面形结果中引入的测量误差形式,根据最小二乘原理建立优化函数,依照函数特性通过数值差分法快速求解梯度并利用非线性优化方法优化偏差,从而将该误差从测量结果中剔除。仿真分析表明这种方法能在镜面面形残差和测量系统的随机误差的影响下有效恢复镜面面形信息。利用该方法实际指导直径为570mm的离轴椭球面的加工,经过四个周期的测量-研磨过程使该镜面面形误差的PV值从34.80μm收敛至13.83μm,RMS从3.28μm收敛至1.89μm。为了进一步比较,对一块220mm×96mm矩形离轴椭球面测量,验证了该方法测量异形离轴镜面的适用性和通用性。     

凸非球面背向零位补偿检验的设计方法

为了实现大口径凸非球面的高准确度检测,提出了凸非球面背向零位补偿检验方法.该方法在非球面背面引入辅助球面并在光路中加入球面补偿透镜来达到零位补偿检验.辅助球面既可以使凸非球面等效为凹非球面,还可以补偿部分非球面法线像差.依据三级像差理论,对辅助球面曲率半径及补偿透镜结构参量进行初始结构求解,并编写了求解初始结构软件,再利用光学设计软件对初始结构进行优化,优化结果满足设计要求,使凸非球面背向零位补偿检验理论化.在实际应用中,以Φ120mm凸非球面为例设计了凸非球面背向零位补偿检测系统,检测系统设计的剩余波像差PV为0.024λ、RMS为0.007λ.利用此检测方法加工完成后的凸非球面的面形准确度优于λ/40.