Radius Measurement of a Concave Mirror by a Zone Plate Interferometer

A new technique to measure the radius of a concave mirror is proposed, in which the radius is calculated from the difference of the two interferograms obtained before and after shifting the sample perpendicular to or along the optical axis. By comparison of these two shifting directions, it is shown that since the amount of shift can be measured accurately and the result is insensitive to the tilt during the shifting, better accuracy can be obtained by shifting the sample along the optical axis.Presented at the International Commission of Optics Topical Meeting, Kyoto, 1994.     

A Shack–Hartmann measuring head for the two‐dimensional characterization of X‐ray mirrors

The recent development of short‐wavelength optics (X/EUV, synchrotrons) requires improved metrology techniques in terms of accuracy and curvature dynamic range. In this article a stitching Shack–Hartmann head dedicated to be mounted on translation stages for the characterization of X‐ray mirrors is presented. The principle of the instrument is described and experimental results for an X‐ray toroidal mirror are presented. Submicroradian performances can be achieved and systematic comparison with a classical long‐trace profiler is presented. The accuracy and wide dynamic range of the Shack–Hartmann long‐trace‐profiler head allow two‐dimensional characterizations of surface figure and curvature with a submillimeter spatial resolution.     

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。     

镜像光衍射技术及其在测量中的应用

对光衍射技术提出了一种新方法,即在衍射缝后引入反射形成镜像,用以改变衍射条纹的光强分布,这种方法可提高测量精度,加大动态范围,改善因缝不理想所形成的场分布,还对参数的选取进行了讨论。     

温度和支撑方式对1.2 m SiC主镜面形的影响分析

为了研究温度和支撑方式对大口径SiC主镜用于地基望远镜的影响,基于1.2 m SiC主镜建立了有限元模型,分析了主镜在被动支撑和自由膨胀时,恒定温度场,轴向温度梯度,径向温度梯度和内外温差等对主镜面形的影响.结果表明,存在温度梯度时,支撑方式影响不明显,无论是被动支撑还是自由膨胀,镜面面形均很大.在达到热平衡后,即稳态温度场下,支撑方式的影响明显,只有在主镜自由膨胀时,温度对主镜面形的影响比较小,镜面的RMS<0.02 nm/℃.因此如果主镜采用柔性支撑或浮动支撑方式,大口径SiC主镜可以应用在地基望远镜中.     

轮廓仪在柱面镜检测中的应用

目前柱面镜检测的主要方法是样板比较法和干涉法。样板法对球面、柱面样板均有较高要求,而干涉法也需合适的高要求的辅助镜,并且对环境要求较严格。提出了用轮廓仪配用合适工装检测柱面镜的方法,该方法简洁、直观、快速,对环境要求较低。分析了该方法的检测误差,实验验证了分析的正确性,指出高精度轮廓仪在一定范围内能保证柱面镜的检测精度。这种方法不仅适用于零件的最终检测,也适用于加工过程中的检测。     

A morphological based method to calculate the centroid spots of Hartmann patterns

We have designed a morphological filter in order to calculate the centroid spots of Hartmann patterns. This filter is based on four directional structuring elements. Each element takes into account the general morphology of the spots of the Hartmann pattern. The efficiency of the filter was tested by using a simulated pattern of spots. Finally, we apply this filter to experimental Hartmann patterns obtained for small convex lenses.     

转镜式高速相机扫描速度检测装置及不确定度评定

基于光电转换基本原理，设计并研制了用于转镜式高速扫描相机扫描速度的检测装置，包括均匀脉冲光源、精密双狭缝、超快响应光电转换器以及高带宽、高采样率数字示波器等。论述了检测装置的核心部件，用该装置实测了SJZ-15型转镜扫描相机名义扫速为4．5mm／μs的扫描速度，计算出了扫速不均匀性。按照国军标GJB3756，对检测装置的测量不确定度来源进行了分析，给出了该装置的不确定度评定方法及测量不确定度，对检测结果的评定表明，该检测装置的相对测量不确定度不大于0．1%，远低于目前转镜扫描相机的最大扫速不均匀性水平。实验证明，设计的检测装置具有很高的准确度和可靠性。     

基于有限元法的面形反演模型

为利用有限元法和面形检测结果反演出光学元件的面形,对面形检测结果进行分解,并对旋转平均法面形检测原理进行分析,讨论采用忽略光学元件自身面形的理想几何模型对其旋转非对称项面形误差进行有限元计算的理论可行性.在此基础上提出了基于有限元法反演光学元件面形的反演模型.以三点球支撑6inch平面镜为例,建立接触有限元模型计算旋转非对称项面形误差,对比了数值法和N步旋转平均法所获得的镜面旋转非对称项面形误差,结果显示,二者的旋转非对称项面形均方根值为分别为2.944nm和2.762nm,两种方法获得的面形相减结果分别为二者的6.31%和6.73%.最后对比了面形反演的面形结果与N步旋转平均法所获得的面形检测结果,结果显示,二者的面形均方根值分别为3.535nm和3.351nm,两种方法获得的面形相减结果分别为二者的11.67%和11.06%.证明提出的反演模型准确可靠.     

柱面光栅色散特性及其应用

 基于椭球面光栅理论,提出柱面光栅概念,并对其衍射特性和集光本领进行研究。结果表明：在掠入射条件下凹柱面光栅具有与凹球面光栅相似的衍射特性,但凹柱面光栅可以方便地沿光栅母线方向划分成若干相同部分独立工作,因此,安装水平隔板的掠入射凹柱面光栅单色仪可以用于托卡马克等离子体的真空紫外（VUV）光谱时空分辨测量。     

Centroids analysis for circle of confusion in reverse Hartmann test

The point spread function(PSF) is investigated in order to study the centroids algorithm in a reverse Hartmann test(RHT) system. Instead of the diffractive Airy disk in previous researches, the intensity of PSF behaves as a circle of confusion(CoC) and is evaluated in terms of the Lommel function in this paper. The fitting of a single spot with the Gaussian profile to identify its centroid forms the basis of the proposed centroid algorithm. In the implementation process, gray compensation is performed to obtain an intensity distribution in the form of a two-dimensional(2D) Gauss function while the center of the peak is derived as a centroid value. The segmental fringe is also fitted row by row with the one-dimensional(1D) Gauss function and reconstituted by averaged parameter values. The condition used for the proposed method is determined by the strength of linear dependence evaluated by Pearson's correlation coefficient between profiles of Airy disk and CoC. The accuracies of CoC fitting and centroid computation are theoretically and experimentally demonstrated by simulation and RHTs. The simulation results show that when the correlation coefficient value is more than 0.9999, the proposed centroid algorithm reduces the root-mean-square error(RMSE) by nearly one order of magnitude, thus achieving an accuracy of ~ 0.01 pixel or better performance in experiment. In addition, the 2D and 1D Gaussian fittings for the segmental fringe achieve almost the same centroid results, which further confirm the feasibility and advantage of the theory and method.     

FJZ-250型高速分幅相机时间测量不确定度分析

FJZ-250型高速转镜分幅相机因转镜速度的不可重复性，光机结构的构造原理和控制系统各路高压触发时间的漂移，导致了时间测量的不确定度。为此，须对相机测量数据进行校正。阐述了校正方法、提供了逐幅校正位置误差的修正系数。若以预置转速对应的名义周期值去处理测量结果，则相机的时间测量合成小确定度将达1％，对名义周期值和名义幅间间隔时间值进行修正后，则可降至0.3％。     

应用方位反向技术提取反射镜零重力面形

为了预估碳化硅反射镜在空间零重力环境下的面形精度,本文开展了在地面环境下利用方位反向技术提取碳化硅反射镜零重力面形的研究。首先,介绍了方位反向技术提取零重力面形的理论依据;其次,利用有限元分析软件,分析了方位反向对反射镜面形的影响;然后,按照试验流程,先后检测了反射镜在0°和180°状态的面形精度,计算两次检测数据的平均值,得到了反射镜零重力面形。结果表明:反射镜地面零重力面形误差RMS值为12.3 nm,能够满足设计指标要求。最后,对数据可信度进行了分析,确认了试验数据真实可信。该结果预示了反射镜在空间零重力环境下的面形精度,对反射镜光学加工与装调有重要的指导意义。     

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。     

激光干涉法检测大口径抛物面反射镜

针对非球面度为0.2λ的大口径抛物面反射镜,采用激光干涉法在ZYGO干涉仪上进行直接检测.对从干涉图获得的实际波面与理论计算的理想波面进行相减,得到被检抛物面镜的实际面形误差.将表面绝对检测技术引入非球面面形检测中,并与波面相减技术相结合,从而使检测准确度提高了0.1λ.用自准直法验证了本方法的可行性.     

球面反射镜的放大自发辐射方法测量小信号增益的理论研究

提出了球面反射镜的放大自发辐射（ＡＳＥ）方法测量小信号增益的理论模型，给出了相应的小信号增益系数的计算公式，该公式具有精确，简洁，显函数等特点，该模型有抑制光束横向分布引起的测量误差的机制。     

基于干涉仪测量的变形镜面形展平标定研究

为了全面地了解变形镜的性能,以便自适应光学系统更好地工作,进行了基于干涉仪测量的变形镜面形展平标定研究.首先,给变形镜的压电陶瓷驱动器施加一半的控制电压;再用Zygo干涉仪测得变形镜的面形,计算对应各个驱动器位置的镜面高度,并算得各个位置镜面高度相对平均镜面高度的偏差;最后,控制驱动器运动使偏差量为零.测试及实验表明,受压电陶瓷迟滞的影响,上述过程需要迭代4到6次镜面面形才会收敛到希望的准确度;对镜面周边无驱动器约束的21单元变形镜,展平之后其80%口径的面形接近λ/20(λ=632.8nm);对镜面周边有驱动器约束的137单元变形镜,展平后的面形优于λ/50.在望远镜不同的观测条件下,该技术可以快速地对变形镜进行展平标定,以适应不同的工作环境.     

成像光谱仪扫描镜运动准确度测量

扫描镜的运动准确度直接影响成像光谱仪对地运动补偿效果,为此研制了一套扫描镜运动准确度测试设备对其进行测量.首先分析了扫描镜的运动补偿原理,从理论上给出了运动补偿曲线;随后以15 m地面像元分辨率和系统调制传递函数下降2%作为依据分别确定了扫描镜的位置和速度准确度要求,列出了扫描镜运动补偿倍数与相对转速误差的关系.基于检定设备1/3法则提出了扫描镜运动准确度测试设备技术指标要求,接着以0.8″绝对式光电编码器为核心建立了一套扫描镜运动准确度测试装置,并从测试方法误差和编码器测角误差两方面对测试装置测角和测速准确度进行了详细分析;最后采用研制的测试装置对扫描镜的运动准确度进行了测量试验.试验结果表明扫描镜位置准确度优于3″±1.2″,4倍补偿时速度准确度为5.6%±1.29%,6倍补偿时速度准确度为3.85%±1.29%,满足成像光谱仪对扫描镜运动准确度要求.外场成像图像证明本文提出的扫描镜运动准确度测量方法及设备可用于成像光谱仪扫描镜的性能检测与验收.     

基于裂缝测试仪的图像测量技术

利用先进的基于CCD的裂缝测试仪采集到试件的表面裂缝。为了计算裂缝宽度,必须准确识别出裂缝边缘。针对裂缝特征,提出了直方图法、结合法、梯度法和改进Roberts法等4种图像测量分析方法,并分别从原理上进行了解释,同时设计了实验标定图进行图像处理和测量,给出了四种分析方法的处理效果图、裂缝宽度及其误差分析。分析结果表明,类判别和数学形态学的结合法在测量裂缝方面效果较好,并将其应用于实际测量中,实践证明了该方法的有效性。