基于权重的子孔径拼接优化算法研究

为了提高大口径光学元件面形拼接检测准确度,减少传统子孔径拼接算法带来的误差传递和积累,并在原有全局优化拼接算法的基础上引入权重系数,使全口径内各相邻子孔径之间的重叠区域达到最优匹配,使拼接误差最小化.利用该优化算法对平面进行了多孔径拼接仿真模拟,在此基础上对150mm口径的平面镜进行了实验,并提出基于图像边缘轮廓特征提取的子孔径定位新方法,分析了影响拼接误差的因素.仿真和实验结果均证明了基于权重的全局优化拼接算法的有效性和可行性.     

相位拼接技术在数字全息中的应用

在确保较高分辩率的前提下,提出了一种相位拼接技术以解决数字全息技术中扩大测量面积的瓶颈问题.在全息数字图记录过程中,确保相邻子孔径间具有重叠区域|拼接中采用相关算法确定重叠区域,并利用再现像重叠区域具有相同信息的特点使用最小二乘方法消除由于孔径的移动所产生的倾斜误差| 相关计算和最小二乘反复迭代把相邻再现像精确统一到一个坐标系下,从而实现测量面积的扩展.以平面物体的测量为例建立了数字全息相位拼接技术的理论模型,完成了对相位物体的2×2拼接模拟,并在对标准相位板2×2的拼接实验中获得了较好的拼接效果.     

相位拼接技术在数字全息中的应用

在确保较高分辩率的前提下,提出了一种相位拼接技术以解决数字全息技术中扩大测量面积的瓶颈问题.在全息数字图记录过程中,确保相邻子孔径间具有重叠区域;拼接中采用相关算法确定重叠区域,并利用再现像重叠区域具有相同信息的特点使用最小二乘方法消除由于孔径的移动所产生的倾斜误差;相关计算和最小二乘反复迭代把相邻再现像精确统一到一个坐标系下,从而实现测量面积的扩展.以平面物体的测量为例建立了数字全息相位拼接技术的理论模型,完成了对相位物体的2×2拼接模拟,并在对标准相位板2×2的拼接实验中获得了较好的拼接效果.     

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。     

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。     

子孔径拼接技术在大口径高陡度非球面检测中的应用

 为了能够精确地完成对大口径高陡度非球面在细磨和抛光过程中的测量,提出了一种将子孔径拼接技术和补偿技术相结合的检测方法。介绍了该方法的基本原理,建立了合理的数学模型,编制了拼接计算软件。利用该方法对一外形尺寸为400 mm×300 mm的高次离轴非球面进行了测试,通过最小二乘法拟合消去各子孔径相对基准子孔径的调整误差以及整个系统的装调定位误差,得到了准确的全孔径面形分布。对实验精度和误差来源进行了分析,并将拼接面形与全孔径测量面形相对比,二者是一致的。     

子孔径拼接法检验大口径光学镜面精度分析

介绍子孔径拼接检测大口径光学镜面的原理，即用小口径的平面干涉仪检验大口径平面的一部分，通过改变2者相对位置获得覆盖到整个被检验镜面的子孔径检测数据。提出利用最小二乘法对相邻2个子孔径重叠部分的检测数据进行计算来确定实际所有子孔径之间的位置关系，进而得到拼接而成的整体面形信息。并对子孔径拼接成的面型与实际面型的误差进行分析，建立了对子孔径拼接全口径波面恢复精度的评价指标。根据子孔径拼接原理完成了实验，并对多组子孔径数据拼接后的波面恢复精度进行了分析。实验证明，子孔径拼接检测大口径光学元件综合误差小，重复精度高。     

大口径离轴凸非球面的加工和检测

将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接测试技术相融合提出了凸非球面系统拼接检测方法,对该方法的原理和实现步骤进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型.依次利用计算机控制光学表面成形技术和磁流变抛光技术对一包含大口径凸非球面的离轴三反光学系统的各反射镜进行加工,并对整个系统进行装调和测试.测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值求解得到大口径凸非球面全口径的面形信息.结合工程实例,对一口径为292mm×183 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,其最终面形分布的均方根值为0.017λ(λ=632.8 nm).     

子孔径拼接检测光学系统波前机械定位误差补偿算法

为了实现大口径光学系统波前子孔径拼接干涉测量,保证子孔径采样数据准确定位,提出了子孔径拼接定位补偿算法。介绍了该算法原理,分析了该算法子孔径定位误差补偿能力。首先根据被检光学系统和子孔径口径大小规划出采样子孔径布局,在子孔径采样装置机械精度误差范围内对子孔径进行拼接,根据所求子孔径定位误差补偿系数和调整误差系数,得到被检全孔径波前,完成大口径光学系统波前的拼接检测。通过仿真验证了该算法的可行性,在机械平移定位精度为1 mm和转动角定位精度为0.5°时,用该算法实验检测口径为200 mm的光学系统平面波前。检测结果表明该算法稳定可靠,能有效补偿机械精度引起的子孔径定位误差,从而可放宽对机械定位精度的要求。     

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。     

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。     

应用离子束进行光学镜面确定性修形的实现

为了克服传统光学镜面抛光方法的缺点,提出了应用离子束进行光学镜面修形的方法.介绍了离子束修形技术的原理和方法,并对离子束修形中涉及的关键技术进行了讨论.在自研的离子束修形设备上对一块直径φ98 mm的微晶玻璃平面样件进行了离子束修形试验,经过两次的迭代修形使其面形精度均方根误差由初始的0.136λ提高到0.010λ(λ=632.8nm),平均每次迭代的面形收敛率达到3.7.实验结果表明,应用离子束进行光学镜面修形无边缘效应、面形收敛快、加工精度高;由于离子束修形技术去除材料过程自身的特点,使数控离子束修形技术对非球面的加工和对平面的加工难度相当.     

光学元件表面缺陷的显微散射暗场成像及数字化评价系统

根据国际ISO10110-7的表面缺陷标准及惯性约束聚变(ICF)工程标准,提出了一种新颖的光学元件表面缺陷的光学显微散射成像及数字化评价系统,多束光纤冷光源呈环状分布并以一定角度斜入射到数毫米视场的被检表面,形成适合数字图像二值化处理的暗背景上的亮疵病图像。对X,Y两方向进行子孔径图像扫描成像,利用模板匹配原理对获得的子孔径图像进行拼接得到全孔径表面疵病图像信息。基于数学形态学建立了可用于大口径表面检测扫描的图像处理的模式识别软件体系,并应用二元光学制作了标准对比板,以获得疵病正确的评价依据。最终利用该变倍光学显微镜散射成像系统得到能分辨微米量级表面疵病的图像,其单个子孔径物方视场约为3 mm,对X,Y两方向进行5×5子孔径图像扫描成像,并给出了与标准比对的定量数据结果。实验结果表明,本系统完全可以实现光学元件表面缺陷的数字化评价。     

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。     

Manufacturing and testing of a cubic SiC surface

The free surface and unrotational-symmetric surface optical elements have been applied more and more widely along with the development of optical design technology, although they are still difficult for manufacturing. In this letter, a SiC unrotational-symmetric aspheric surface whose surface equation is z =- 3λ（x^a ＋ y^3） （λ= 0.6328μm） has been introduced. The tilt abstraction is adopted to minimize the material removal. The surface figures are peak-to-valley （PV） value of 0.327A and root-mean-square （RMS） value of 0.023A. A non-null testing method based on digital mask is proposed to test this surface. The accuracy of the method is testified by the experiment of standard sphere testing.     

基于波长移相剪切干涉的准直波前重构技术

为了实现干涉仪出射准直波前的重构,提出了基于波长调谐移相的横向剪切干涉技术。干涉仪出射波前分别经楔板的前后表面反射,通过角锥棱镜返回后在干涉仪CCD上形成剪切干涉条纹。采用波长移相方法提取剪切干涉条纹的相位信息从而实现准直波前重构。分析相对剪切比对波面重构精度的影响,推导相对剪切比和其影响因素间的关系公式,给出波长移相中光程差常数分量的估算方法。测量干涉仪的三组出射波前,波前的峰谷值分别为3.22λ、2.10λ、0.83λ。该方法简化了传统测量干涉仪准直波前的横向剪切干涉装置,提高了测量精度,特别适合于测量波长移相干涉仪的出射波前。     

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。     

利用环形子孔径拼接法检测非球面反射镜

为解决高精度检测非球面反射镜的难题,提出利用Zygo干涉仪完成非球面环形子孔径检测。通过移动待测非球面,使得由干涉仪产生的参考球面波,以不同的曲率半径匹配待测非球面的各个环带区域,分别测试每个环带,进而完成对整个非球面的拼接检测。以双曲面反射镜为例进行拼接检测,并搭建辅助光路,利用无像差点法对拼接结果进行验证。验证结果表明:该方法测量误差小于1/20 （=632.8 nm）。     

高精度非回转对称非球面加工方法研究

本文提出一种高精度非回转对称非球面加工方法。首先,通过范成法铣磨出非回转对称非球面的最佳拟合球;然后,利用古典抛光修正小磨头确定抛光难以修正的中频误差;最后,利用高精度气囊抛光设备(IRP)精确对位精修面形,在不引入额外中频误差条件下,通过高精度对位检测技术实现非回转对称非球面高精度加工。将该方法应用于定点曲率半径为970.737 mm、k=-1、口径为106 mm三次非球面加工,降低了加工难度,提高了加工精度,面形误差收敛到1/30λ(RMS)。实验结果验证了本文加工方法的正确性和可行性,对高精度非回转对称非球面加工具有一定的指导意义。