平面光学元件PMD面形检测的调整技术研究

针对相位测量偏折术(PMD)检测平面光学元件面形的光路结构,系统地分析了各部件因各自由度的不确定度变化对重建面形的影响,并且提出了一种高精度的平面元件调整方法。通过对相移算法得到的显示器坐标与通过光线追迹得出的参考面显示器坐标进行比较,能够将被测镜调节至理想测试状态,从而能准确求出被测面上各点斜率,再采用波前重建算法,实现了光学元件面形重建。实验结果显示,有效口径为Ф140mm的平面元件在去掉Zernike多项式前6项的面形数据与干涉仪的测量结果差值在RMS=5nm以内,结果远优于未经过该方法调整的结果。因此,该调整方法可行,能够有效完成对平面元件的精密调整,具有很大的应用价值。     

基于空间直线预标定检测光学元件面形的研究

基于斜率检测的相位偏折术能够快速、简单、准确地测量光学元件面形和透射光学元件畸变波前。借助点光源显微测量系统对参考点坐标的准确测量提出了空间直线预标定的方法,利用它得到了相机中CCD面阵上每个像素对应每条光线的方向向量,通过每条光线的方向向量和被测面方程,追迹得到了被测面的世界坐标,从而求出被测面上各点斜率,采用波前重建算法,实现了光学元件面形的准确重建。实验结果显示,拟合面形去掉Zernike多项式前4项的RMS数据与干涉仪的测量结果最大相差仅约10nm,并且实验中重建的面形与利用张正友提出的标定方法坐标计算重建的面形几乎相同。因此,空间直线预标定法切实可行,可以实现高精度的反射光学元件面形测量,且测量系统简单,具有应用价值。     

激光数字光学平面玻璃表面检测系统技术研究

干涉波面数字化和测量分析处理方法是激光数字平面检测系统中的核心技术,只有掌握了此核心技术的关键内容,才能够真正实现对光学平面的快速高精度检测。对光学干涉波面的拟合函数系的选择、拟合算法、系统像差以及被测表面平面误差类型进行了理论分析和算法优化,并进行了实验测试,完成了系统的构建。发现了Zernike多项式阶选择法则,提出被测光学表面误差类型的判别标准以及一种全新的在“Zernike像差空间”确定激光数字光学平面检测系统精度的理论和方法,为实现检测自动化奠定了理论基础。     

装夹自重变形对大口径绝对面形检测的影响

针对立式大口径平面干涉仪,采用结合Zernike多项式的三平面互检面形检测方法,研究参考平面在装夹情况下的自重变形对绝对面形检测结果的影响.运用ANSYS有限元分析方法研究了不同参数下的装夹和自重变形情况,得到了最优的装夹参数为环带宽度15mm、平面厚度90mm,此时的变形量峰谷值为0.023λ(λ=632.8nm).通过参考平面装夹自重变形对测量结果影响的模拟检测试验和对比分析,发现参考平面装夹自重变形不仅影响其自身的面形,而且对未变形大口径平面的绝对面形检测结果也有较大影响,面形残差峰谷值基本都在0.011λ,尤其在高精度干涉测量中该影响不可忽略.研究结果可为高精度测量的变形补偿提供参考.     

同轴三反线阵空间相机宽视场波前误差的在轨检测方法

针对同轴偏场三反射镜系统,提出了一种宽视场波前误差检测方法。通过3个视场的波前误差检测,得到相应视场像差的Zernike多项式系数,利用该Zernike多项式系数减去设计误差后,随视场的变化为二次曲线,通过抛物线插值即可得到任一视场的Zernike多项式系数。仿真研究了Zernike多项式系数随视场的变化以及拟合精度等问题。仿真结果表明:对于原始设计误差,其Zernike系数随视场的变化需要用3次或4次曲线拟合;对于由主镜面形误差、次镜位置误差、次镜面形误差和三镜面形误差等引起的各视场波前误差,其Zernike系数随视场的变化可用直线或2次曲线拟合。通过事先存贮设计误差,仅需3个波前传感器即可实现全视场波前误差估计。Zernike系数估计误差在10-5量级。     

应力盘智能控制盘面面形的表征方法及检测技术的研究

分析了CMAC神经网络应力盘智能控制中面形表征及检测的特点,提出了以Zernike多项式系数用于表征应力盘盘面面形的方法,以微位移阵列传感器检测得到的原始数据经插值拟合重构出盘面面型数据,再经Gram-Schimdt正交化后拟合出的Zernike多项式的系数,以此作为CMAC神经网络的输入样本来完成CMAC神经网络的训练。并在实验中初步验证了此方法的可行性。     

扫描镜的研制工艺与检测

用于卫星探测等仪器中的扫描镜，形状一般为三面或四面镜，技术要求很高，因此，加工工具和方法也需要相应的改进。粗加工时主要控制面与面的角度和对称尺寸；精抛时即要注意面形，又要控制面与面的角度与塔差。加工过程中检查面形主要用平面干涉仪，检查面间夹角和塔差使用两个光轴互相垂直的平面仪，加工结果，四反射面扫描镜最佳面间夹角误差优于１″，塔差和平行度以及面形均达到技术要求。     

横向剪切干涉中剪切量的选取及分析

横向剪切干涉技术是一种直接测量波面相位分布的光学测量方法,由于其不需要高精度的参考平面,并且能够测量偏离量较大的表面面形偏差,因此得到了更为广泛的应用。但是,通常情况下剪切量大小的选择凭工作经验来确定。为了给出一种定量的剪切量判定方法,论文提出了一种基于Zernike多项式拟合的剪切量判定方法,通过计算机仿真和实验给出了剪切量与测量误差的关系,发现剪切量为测量口径1/10时即可达到良好的测量结果。     

基于平面声源进行结构声辐射有源控制的实验研究

采用分布式平面声源作为次级声源,对振动钢板的声辐射进行了抵消实验,验证了以往研究中的一系列关键理论。实验研究结果表明:一个平面声源可以控制钢板奇-奇模态的声辐射,两个平面源可以控制结构偶-奇或奇-偶模态的声辐射,同时也可以控制结构奇-奇模态的声辐射;平面声源的面积和布放位置对降噪效果有重要影响,采用单个平面声源控制时,平面声源面积越大,控制效果越好;基于近场声压的误差传感策略是有效可行的,实际中,将近场测量面的声功率作为有源控制的目标函数与总声功率作为目标函数是一致的;控制后远场声压和声强都得到有效降低,部分区域的声能向声源流动,近场声压及声强分布也发生显著变化。     

光学工艺 光学加工工艺与设备

TQ171.652006010749应力盘智能控制盘面面形的表征方法及检测技术的研究=Method for representing the surface and testing technol-ogy of stressed-lapin CMACcontroller[刊,中]/范斌(中科院光电技术研究所.四川,成都(610209)),杨力…∥光学技术.—2005,31(5).—751-753,757分析了CMAC神经网络应力盘智能控制中面形表征及检测的特点,提出了以Zernike多项式系数用于表征应力盘盘面面形的方法。以微位移阵列传感器检测得到的原始数据经插值拟合重构出盘面面型数据,再经Gram-Schi mdt正交化后拟合出的Zernike多项式的系数,以此作为CM…     

同步辐射用光学元件面形绝对检测方法的研究

为实现同步辐射用光学元件面形的绝对检测,发展了镜面旋转对称三平板检测法。该方法将菲佐干涉法检测到的波前函数关于y轴分解成镜面对称部分与镜面非对称部分,再利用N次旋转取平均值消除镜面非对称部分,从而通过计算获得待测平面的绝对面形分布。推导了镜面旋转对称法检测矩形平面镜面形的公式,应用该方法设计了高精度矩形平面镜的测试实验,并进行了误差分析。实验结果表明,与传统三平板绝对测量方法相比较,两种方法在高度轮廓误差和斜率误差方面的计算结果都符合较好,其对比后的残差均方根(RMS)值分别为λ/500(λ=632.8nm)与0.93μrad。     

大口径标准镜绝对面形精度传递方法

提出了一种大口径干涉仪标准镜绝对面形精度的传递方法,在已知一台干涉仪参考镜绝对面形的前提下,可向待测标准镜进行精度传递。由于检测温度与使用温度的不同,待测标准镜在另一台干涉仪作参考镜时,绝对面形会发生变化,变化集中在离焦量上;在待测标准镜使用状态下,通过对经典三板互检法得到的竖直方向直线绝对面形的分析,得到标准镜使用状态离焦量的估计,以此修正直接精度传递结果,最终得到待测标准镜使用状态下的绝对面形。比较同一块光学元件在两台干涉仪上标定前和标定后的测量结果,标定后的面形差值更小且分布一致性更好,证明了本方法的有效性和可行性。     

Error compensation for mirror symmetry absolute test

A method is proposed to compensate intrinsic error in mirror symmetry absolute test. Because of the limitation of rotation times of flat A, intrinsic error of CNθ terms occurs in reconstructed wavefronts of flats A, B and C. If flat A is rotated to a new azimuthal position, and the wavefront difference between two measurements before and after rotation is calculated, the Zernike coefficients of CNθ terms can be obtained by solving coefficient equations due to rotation invariability of the form of Zernike polynomials in polar coordinates. Therefore, the intrinsic error of CNθ terms may be compensated. Because the amount of CNθ terms is infinite, the compensated terms are decided in terms of the balance between intrinsic error reduction and computational effort. Computer simulation proves the validity of the proposed method.     

Comparative experimental study on absolute measurement of spherical surface with two-sphere method

The two-sphere method with multiple confocal measurements and a “cat's-eye” measurement is used widely in high accuracy interferometry, which can obtain the absolute surface data of the tested spherical surface. We provide a comparative experimental study on absolute testing procedures for spherical surface with two-sphere method, which include the classical Jensen method with three position measurements, the Zygo method with five position measurements and a variant of the Jensen method. The variant of the Jensen method can combine the multiple “three-position” measurements based on the fiducial method and averaging method. The repeatability of the involved absolute measurement methods is also studied by the five set experiments, and the corresponding Zernike fitting coefficients are compared in detail. The experimental results are meaningful for implementation of two-sphere method with higher repeatability in practice.     

子孔径拼接法检测大口径光学镜面的精度分析

讨论了在用子孔径拼接法检测大口径光学镜面时的精度问题，并分别从理论上和实验中对拼接检验的精度做了定量分析。分别用平面消差、在非圆域内的Zemike多项式系数拟合和在圆域内的Zemike多项式系数拟合等三种方法对检测得到的波面面形数据进行数据处理。通过对这三种方法计算结果的分析，发现利用平面消差法拟合波面数据能更好地保存原始波面信息，且拟合误差较小。最后通过对实验数据的分析和处理验证了平面消差法拟合得到的波面更接近原始波面，拼接效果较好。     

Error reductions for stitching test of large optical flats

Stitching test of large optical flats is still quite challenging. In this paper, aiming to reduce the 2nd order error accumulation effect, separation of the reference surface error from the subaperture measurements is proposed in stitching of large flats. The reference error is decomposed into power and astigmatism, residual Zernike polynomial surface and high frequency component, which are estimated or calibrated, respectively. The error separation procedure is then incorporated into the subaperture stitching algorithm. Finally experiments are presented to show the effect of error reductions in stitching test of a 600 mm-aperture flat, with reference surface separated and verified by the factory report of the transmission flat.     

基于单次旋转的旋转非对称面形误差绝对检测技术研究

绝对检测技术是剔除干涉仪系统误差进而提高面形检测精度的有效手段。基于单次旋转的绝对检测技术由被测球面绕光轴旋转前后的检测数据,采用基于最小二乘法的Zernike多项式拟合,剔除系统误差,获得被测面的旋转非对称面形误差。详细推导了理论计算公式,分析了单次旋转角度对算法检测精度的影响,并和多次旋转法作了对比,其残差均方根(RMS)值约为1.5nm。该方法只需一次旋转两次检测,在保证检测精度的同时简化了检测过程。     

平面光学镜低温温度场和热变形分析方法

在综合分析了温度场和热变形理论分析方法的基础上,提出了对空间光学系统中平面光学反射镜进行有限元分析具体方法;介绍了温度场特性经典理论,并对径向温度分布遵循二次规律的表达式作了简单推导;同时介绍了温度变化引起光学表面的Zern ike多项式法和用热力矩分析平面圆形板面形的方法;最后给出了用ANSYS和I-DEAS软件对联合光学元件热变形的计算流程。     

Recursive wavefront aberration correction method for LCoS spatial light modulators

We present two accurate and relatively simple interferometric methods for the correction of wavefront aberrations of about 3 wavelengths (3λ) in spatial light modulators (SLMs) of the liquid crystal on silicon (LCoS) type. The first is based on a recursive use of a wavefront fitting algorithm in a Wyko™ interferometer, in which Zernike polynomials are employed as the basis functions. We show here that the successive use of only three measurements is required to obtain a peak-to-valley (PV) error as low as λ/10, with an uncertainty of λ/30, in the compensated wavefront. The second method makes use of the actual optical path difference (OPD) computed by the interferometer at each pixel of the image of the interferogram of the LCoS modulator (LCoS-M). From numerical interpolation of these OPD values we were able to assign the required OPD compensation at each pixel of the LCoS-M. With this method, PV errors of the compensated wavefront as low as λ/16, with an uncertainty of λ/30, were obtained for the entire LCoS-M, or of λ/33 for the disk that we used as the domain of the Zernike polynomials in the first method.     

Absolute surface figure testing by shift-rotation method using Zernike polynomials

In surface figure testing, most of them are relative tests, and the reference surface usually limits the accuracy of test results. Absolute calibration is one of the most important and efficient techniques to reach subnanometer accuracy in surface figure testing. An absolute testing method, a shift-rotation method using Zernike polynomials, is presented, which can be used to calibrate both flat and spherical surfaces (concave or convex). Calibration contains at least three position measurements: one basic position, one rotation, and one lateral shift of the test surface. Experiments show that the repeatability of this method is 0.13?nm RMS, and pixel-to-pixel comparison with the two-sphere method is 0.2?nm RMS.