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。     

数字平面检测系统误差和精度评价方法的研究

通过对光学平面玻璃样品表面检测结果的分析，对激光数字平面检测系统中，应用泽尼克多项式进行平面分析的系统理论误差以及被测表面形状类型的判别方法进行了深入的研究，并应用误差分析理论，提出了一个在“泽尼克像差空间”确定激光数字平面检测系统精度的理论和方法。     

干涉零位补偿检验研究

零位补偿检验是现代光学用于检测非球面的主流方法。根据实际检测需要,提出既可进行补偿检验,又可进行干涉检验的一种新型干涉零位补偿检验方法。干涉零位补偿检验的原理是:在零位补偿检验的基础上,将零位补偿系统的第一面改为与激光点光源同心的参考面,从同心参考面反射回来的参考波面与通过零位补偿检验系统的待检非球面反射回来的待检波面相干涉实现干涉零位补偿检验的目的。依据三级像差理论,设计了零位补偿检验的光学系统,给出像差理论分析和实际设计评价结果,当待检非球面镜的孔径角2u小于1 4.5时,系统的剩余波像差优于λ/170。通过对该方法进行原理性实验,充分证实,干涉零位补偿检验是行之有效的。     

全息光栅拼接系统中的像差补偿法

全息光栅拼接参数需要用参考干涉条纹来检测。系统像差会造成干涉条纹扭曲,产生光栅拼接误差。为补偿像差造成的光栅拼接误差,对像差与干涉条纹扭曲量之间的理论关系进行了研究,利用计算机模拟了参考干涉条纹图像,并将光栅拼接误差预调制到参考干涉条纹图像中。为验证该方法的有效性,在曝光系统像差峰-峰值为0.72λ的情况下进行了光栅拼接实验,在光栅拼缝处像差造成-1级衍射波面最大突变量为0.36λ。利用预制参考干涉条纹图像作为拼接参考时,其最大突变量为0.097λ。实验结果表明,在曝光系统像差较大的情况下,干涉条纹预制法能够有效地控制光栅拼接误差。     

基于波像差判据的同步相移显微干涉检焦方法

为了实时准确地将激光直写系统中经直写物镜聚焦的光斑定位于待加工元件表面,提出了一种基于波像差判据的同步相移显微干涉检焦方法,实现了对离焦量的实时检测与调整。在直写系统中引入检焦光路,与直写光路共享同一物镜,构建Linnik型同步相移显微干涉检焦系统,提取包含离焦量的波面相位信息;再从大数值孔径（NA）的物镜波像差数据中解析出离焦量的大小与方向。仿真结果验证了基于波像差判据的离焦计算方法的正确性,NA≥0.5时,离焦探测灵敏度可达4 nm, 通过实验验证了同步相移显微干涉检焦方法的可行性,检焦精度可达10 nm以内,满足激光直写高精度的测量要求。     

显微物镜干涉图的计算机处理

提出用泰曼干涉仪检测衍射受限的显微物镜，将实验中拍摄的干涉图形数字化后，经计算机处理，用Ｚｅｎｉｋｅ多项式拟合干涉图，可获得各采样点波像差，峰谷误差及均方根误差和各种几何像差。     

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。     

新型折反射式椭球形整流罩光学系统的设计

提出了一种可用于指导非旋转对称、折反射式光学系统设计的Wasserman-Wolf曲面设计方法,并将其用于设计椭球形整流罩光学系统,得到的系统具有结构尺寸小的优点。利用最小二乘拟合的方法使系统初始结构兼顾各个扫描视场的像差校正需求,克服了以往只针对零视场计算校正元件初始参数致使扩展至整个扫描视场时系统评价函数难以收敛的弊端。同时,从平面对称的矢量像差理论出发,分析了平面对称反射镜的像差特性,阐述了在不同扫描视场中,利用反射镜倾斜来进行动态像差补偿的原理。设计了一套工作波段为中波红外的椭球形整流罩光学系统,该系统的调制传递函数(MTF)在整个扫描视场内接近衍射极限。     

多波段高功率激光扩束系统设计

 对透射式和反射式扩束系统应用于高功率激光扩束的优缺点进行了对比研究。采用次镜为凸抛物面,主镜为凹抛物面的无焦卡塞格林系统,运用ZEMAX光学设计软件,按激光扩束系统的扩束倍率和系统的波像差要求,设计出多波段高功率激光扩束系统。对用于高功率激光反射镜的基底材料进行分析,选用无氧铜作为基底材料;采用金增强的膜系设计,膜系从近红外到远红外宽光谱波段激光的反射率均在98%以上。面形精度均方根值优于λ/40(λ=0.632 8 μm)的平面镜作为基准镜,采用光学干涉方法对设计的激光扩束系统进行检测实验,结果表明：该扩束系统的扩束倍率为3.53,波像差为0.206λ,满足多波段高功率激光光束发射要求。     

基于矢量波像差理论的两反光学系统装调研究

 为了实现对两反光学系统的精密装调,提出一种基于矢量波像差理论和波像差检测技术对失调量精确求解的装调方法。使用矢量波像差理论,将已设计的两反光学系统参数、失调量和失调光学系统的波像差之间建立方程;然后通过干涉测量法得到某一个视场的干涉图,利用条纹分析软件得到表征失调系统三阶彗差和三阶像散的泽尼克项系数,将泽尼克项系数代入方程从而求解出失调量。运用此方法对4 m口径RITCHEY-CHR-TIEN结构的天文望远镜进行模拟装调,最终求解的失调量与引入的失调量结果相互吻合,说明该装调方法正确。     

一种用于光学平面面形误差绝对测量的新方法

本文探讨了一种可绝对测量光学平面面形误差的新方法,利用该方法可以消除或修正干涉仪测量光学平面面形误差时所存在的固有系统误差和参考光学平面本身的面形误差,同时也对干涉仪进行了绝对校准。     

旋转抛物面聚光器焦面能流分布的有限元分析

提出一种计算太阳能聚光器聚光焦斑能流密度分布的新方法。在考虑太阳形状、聚光器表面形状误差、跟踪误差、接收器位置误差、漫反射及接收器遮挡作用等各项光学误差和影响因素的基础上,结合旋转抛物面聚光器的光学特性,采用有限元法对焦面能流密度分布进行计算,并与文献中的结果进行比较,证明了该方法的正确性和可行性。同时又对半球形接收器和圆柱形接收器进行了实例计算,结果表明该方法不受聚光器或接收器面型的限制,算法简单,通用性也较强,从而为系统的优化设计和能流密度的测量奠定基础。     

Legendre transformation: Connection between transverse aberration of an optical system and its caustic

A geometrical theory of aberration has been developed, using caustic surfaces. This theory is based upon the properties of the Legendre transformation, which connects the caustic surface with the transverse aberration of the optical system in the meridional plane.     

低多义性误差的条纹反射技术系统结构研究

条纹反射技术中的多义性误差将直接影响测量结果的精度，现有的多义性误差消除方法会大大增加系统复杂程度，且只能补偿部分的误差。推导了条纹反射系统不含多义性误差的准确相位-梯度解析模型，对该模型仿真分析得出:当系统设置满足进入相机的光线与参考平面和显示屏都成90°夹角条件时，系统多义性误差近乎为0的结论，基于此，提出一种基于同轴光路系统结构，实验证明了所提出的同轴光路系统结构在物体表面高度从0增加至3 mm时多义性误差始终近乎为0，普通系统结构的多义性误差随着物体表面高度从0增加到3 mm时，多义性相位误差从0增加至1.5 rad，实验证明使用提出的同轴系统可以大大抑制条纹反射技术中的多义性误差。     

The analysis of misalignment errors of optical masks for wavefront coded passive-ranging systems

A typical wavefront coding passive-ranging system and its alignment error coordinate is introduced. Based on this, we have analyzed off-axis error, tilt error of x–y plane and tilt error of y–z plane for the plane of mask. The results show the off-axis error of mask does not affect the magnitude transfer function (MTF) of optical–digital system and the light spots will has a plane shift. The tilt error of x–y plane makes us realize that the coordinate must be selected on the basis of the optical mask plane in wavefront coded passive-ranging system. The tilt angle in y–z plane brings errors to the final ranging result. Therefore, the passive ranging system requires higher assembly accuracy between modulating plane and optical system plane. We noted that it bring errors to the final ranging result with wide field of view condition on the passive ranging system.     

地平式离轴扩束光学系统装调技术

为实现地平式离轴扩束光学系统的高精度装调,利用4D干涉仪加装平面镜头配合标准平面镜实现自准直检测,并针对实际使用过程中镜筒需要绕俯仰轴旋转的问题,提出一种动态检测方法。根据实际装调结果,建立空间直角坐标系,利用旋转过程中光斑最大偏离量计算二轴正交误差。装调结果表明,采用自准直检测及动态检测方法,主镜面形精度为0.028 8λ@632.8 nm,系统波像差RMS为0.131λ@632.8 nm,二轴正交误差为2.06″。     

散射光彩色数字全息光学系统及波面重建算法研究

令物体表面为散射面,参考光及重建光为球面波,详细研究了离轴数字全息物光场重建平面的光波场.导出物光、共轭物光及零级衍射光分布与光学系统参数的关系.根据彩色数字全息的特点,提出抑制零级衍射干扰的光学系统设计方法,并且对一种能够避免插值误差的波面重建算法进行了优化研究,给出了相应的实验证明.     

Effect of plane-mirror installation errors on pointing errors in periscope-type satellite optical communication terminals

In a satellite optical communication system, the pointing error is an important factor that strongly influences the system performance. For periscope-type satellite optical communication terminals, installation errors of 45° plane mirrors in the coarse point apparatus (CPA) can lead to pointing errors. In this respect, we classify the installation errors of two 45° plane mirrors in the system and derive the corresponding ??transfer?? matrices to describe them. Furthermore, we establish mathematical models of the pointing error caused by installation errors of 45° plane mirrors. These models allow one to calculate and compensate the pointing errors in periscope-type satellite optical communication terminals. The results of our simulations show that the pointing errors vary with the elevation axis angle but do not depend on the azimuth axis angle. Compared to the side-angle error, the slope-angle error brings a larger pointing error. However, the mathematical model we developed allows one to compensate more than 99.9?% of the overall pointing error. The present work provides a theoretical basis for the design of periscope-type satellite optical communication terminals.     

一种基于共轭节面的图像畸变分析方法

无像差的光学相机的成像模型可由其共轭节面模型等效表示。针孔模型本身忽略了偏离该等效模型的误差,也无法表示平板玻璃的平移误差、光轴的安装误差以及实际相机光学系统的像差,这四个因素都会引起图像畸变。基于此利用共轭节面的性质建立了一种图像畸变几何模型,并与广泛采用的像差模型进行了对比,从理论上解释了像差模型各个系数的物理意义。对某实际针孔相机进行仿真分析,该几何模型给出的相对径向畸变、角度误差在设计参数的范围以内,并且可以模拟图像的非对称畸变。该几何模型需要辨识包含主面相关参数、光轴倾斜角和平板玻璃的轴向球差在内的4个参数,辨识参数较少,理论上可以作为一种新的图像畸变校正方法。