差分五棱镜扫描法在波前检测中的应用

为了实现高精度大口径平行光管波前检测,评价平行光管出射波前质量,提出了采用差分五棱镜扫描波前检测方法检测平行光管.该方法为五棱镜扫描法的优化方法,通过测量波前斜率的改变得到波前曲率的信息来重构波前,从而消除由于五棱镜扫描法波前检测中质心标定不准确而引入的倾斜和离焦的误差量.通过搭建差分五棱镜扫描法波前检测系统验证了此方法的可行性,并给出差分五棱镜扫描法误差分析说明此方法可靠性.误差分析表明,该方法检测精度可以达到10.54 nm;实验结果表明,该方法相比于五棱镜扫描法分别在波面峰谷值(PV)和均方根值(RMS)的重复性精度上提高了74.41%和125.81%.该方法基本满足平行光管波前检测精度高、稳定性好的要求,可以客观准确地评价平行光管出射波前质量.     

光学测试

光学元件测试与设备TH7062006021574高精度大口径平面镜面形角差法测试探究=High preci-sion large flat mirror measurement by angle difference tes-ting[会,中]/马冬梅(中科院长春光机所检测中心.吉林,长春(130033)),孙军月…∥中国仪器仪表学会2005年第五届精密工程学术研讨会.—中国,深圳,2005,11.—121-126研究了一种集高精度自准直仪与五棱镜于一体,采用角差法(角度变化量测试),实现大口径平面镜垂直状态下面形测试的方法。阐述了测试装置的设计思想,对影响面形轮廓测试精度的因素进行了讨论。大口径平面镜面形的变化可通过其各点…     

椭圆形平面镜的高精度面形重构技术

为了实现大口径椭圆形光学平面镜的高精度面形测量,提升大口径望远镜系统的像质,本文对椭圆形平面反射镜面形的绝对检测算法进行了研究。首先,对椭圆形镜面进行了多项式正交化拟合研究。接着,对绝对检测算法进行了理论研究,利用正交化绝对检测算法可以有效分离参考镜与待测镜的面形误差,从而实现待测椭圆形平面镜面的高精度面形重构。为了证明上述方法的实际检测精度,本文对250 mm×300 mm的椭圆形镜面进行了绝对检测模拟与检测实验。对参考镜面形精度不高的情况进行了仿真计算,实验中利用光阑在Zygo300 mm口径标准平面镜头中选取250 mm×300 mm椭圆形检测区域,采用150 mm口径Zygo干涉仪对上述椭圆形区域完成绝对检测,并基于上述正交化绝对检测算法对椭圆形平面镜实现了面形重构。实验结果表明,利用本文所述方法可以实现参考镜与椭圆形待测镜面的面形误差分离,绝对检测结果的残差图RMS(Root-mean square)值为0.29 nm,证明了本文所述方法的可行性。利用上述方法可以实现椭圆形平面反射镜的高精度面形重构。     

用ZEMAX模拟五棱镜误差对平行度检测的影响

介绍了用五棱镜法检测大口径光束平行度的原理。分析了五棱镜加工的角度误差及面形误差对检测结果的影响，得出了五棱镜角度误差不影响检测结果，2个折射面的面形误差对检测结果的影响较小，2个反射面的面形误差对检测结果影响最大的结论。介绍了选择五棱镜的方法和减小面形误差影响的方法。最后，给出了用五棱镜法检测单星模拟器出射光束平行度的应用实例。     

纳米级面形精度光学平面镜加工

为实现纳米级面形精度光学平面镜的高效精密抛光,提出了一种由传统环带抛光技术和先进离子束抛光技术相结合的组合式加工方法。介绍了环带抛光技术和离子束抛光技术的原理,通过实验研究了离子束抛光的材料去除函数,并采用这种组合抛光方法对口径为150 mm的平面镜进行抛光,抛光后平面镜的面形误差和表面粗糙度分别达到1.217 nm RMS和0.506 nm RMS。实验结果表明,这种组合抛光技术适合纳米级面形精度光学平面镜的加工。     

大口径平面镜快速瑞奇-康芒测量法研究北大核心CSCD

瑞奇-康芒法是用小口径干涉仪检测大口径平面镜的主要方法之一。通过分析瑞奇-康芒法中球面参考镜半径、平面镜位置和瑞奇角误差对测量精度的影响,给出了3个参数的选择方法。针对瑞奇-康芒法测量时误差分离导致的测量效率低的问题,提出适用于加工过程的快速瑞奇-康芒测量法,仿真模拟该方法下被测平面镜位置、角度等定位误差对测量结果的影响,并设计实验对比验证。该方法与直测法测量间的最大偏差峰-谷值(PV)为0.0151μm,均方根(RMS)为0.0036μm,能够有效满足加工过程中面形快速测量需求。     

非球面非零位检测中的回程误差分析与校正

光学测试中常用非零位法来对非球面进行初步检测.由于非零位法偏离了零位条件,导致检测得到的被测非球面面形与其真实面形存在一定程度的偏差(称之为回程误差).分析了非球面非零位检测系统中的回程误差问题,得出了回程误差与被测非球面门径、相对口径以及非球面本身面形误差均紧密相关的结论.针对回程误差的表现形式,提出了有效校正回程误差的方法.计算机仿真及检测实验结果均表明,该方法可以较好地解决非球面非零位检测中的回程误差问题.针对非球面非零位检测中回程误差问题所做的分析以及提出的相应校正方法,有利于非球面非零位法检测精度的提高和系统的广泛应用.     

基于标准平面镜的双目偏折术系统标定

相位偏折术中,系统标定精度对面形测量精度具有决定性的影响。采用带标记点标靶进行标定时,由于其表面不是理想平面而引入误差,导致虚像姿态求解不精确,进而影响标定精度。通过使用高精度的标准平面镜作为反射镜,从初始系统参数开始,采用交替方向优化的方法实现系统几何参数的标定,提高了标定精度,同时避免了变量过多导致的矩阵病态问题。使用该方法对双目相位测量偏折系统进行标定后,对100 mm口径的标准平面镜进行了对比测量。由测量面形可知,该方法可显著降低测量均方根误差和低频面形误差。相比于传统带标记点标靶的方法,有效提高了标定的精度和稳定性。     

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。     

Φ2 m平面反射镜低频轮廓非接触测量设备研制进展

口径2 m的高质量平面反射镜可用于大口径光电设备像质评价和性能检测,但受使用环境影响,平面反射镜的面形精度不易长期保持稳定,因此需要在使用前对其面形精度进行现场、快速校验,而常规的全口径或子孔径干涉检测均难以满足上述需求。由于反射镜面形在制造过程引入的中高频误差已处于稳定状态,环境扰动只引入低频像差,而选择子孔径斜率扫描再重构波面低频轮廓的方法较适于面形精度现场校验。提出双五棱镜配合双测角仪进行子孔径斜率同步差分测量的方法,可改善长测量周期内环境扰动引起的随机误差。并对测量设备光学、机械及控制系统进行设计,提出采用2台S-H传感器代替传统测角仪用于子孔径斜率测量的解决方法。验证试验结果表明,波面重构算法以及仪器测角精度可满足面形测量精度需求,其与ZYGO干涉仪测量结果的互差小于20 nm（RMS）。     

高精度楔形棱镜加工中的检测技术北大核心CSCD

棱镜广泛应用于各种光学系统中。实际应用中,仅有部分具有特定角度的棱镜能够达到较高的形位精度,主要受到这类光学元件加工过程中检测能力的限制。对一个非特殊夹角的楔形棱镜,提出粗加工和精加工过程的加工工艺和检测方法。该楔形棱镜最终达到的精度为:有效口径内面形误差PV值优于0.2λ(1λ=632.8nm),楔角误差和塔差优于5″。结果表明加工工艺和检测方法,可以实现楔形棱镜的高精度制造,对于其他夹角的此类光学元件制造也能提供有效指导。     

五棱镜扫描法检测大口径平行光管光束平行性

基于传统的五棱镜扫描法和图像处理法设计了一台通用检测装置,该装置可以快速准确地检测口径1m以下的平行光管出射光平行性。详细分析了五棱镜姿态对装置测角精度的影响,实测了实验室Φ1m焦距30m的平行光管光束平行性,并根据测量结果进行了焦面调节,最终平行光管离焦量控制在4mm以内,装置测角精度优于1″。     

五棱镜转动时出射光角度的变化

为了对大口径平面镜面形轮廓的五棱镜扫描法测试进行误差分析和修正,对五棱镜转动时出射光角度的变化进行了分析与精确计算。首先建立了合适的坐标系并规定了角度的正负,然后由入射光的偏摆角和俯仰角计算入射光向量,接着介绍了五棱镜的作用矩阵与坐标转换矩阵,在此基础上详细分析了五棱镜转动的整个过程并且计算了出射光向量。然后计算出射光的偏摆角和俯仰角,再计算当五棱镜没有转动时出射光的偏摆角和俯仰角。最后计算出射光偏摆角和俯仰角的变化。特别分析了当入射光垂直入射五棱镜的情况。随后进行了实际计算与实验,总结了出射光角度变化的一些规律。将计算数据与实验数据进行了比较,结果最大偏差为1"。最大偏差在实验精度范围内,证明了计算方法是正确的。     

基于奇偶函数分解算法的绝对检验对比研究

奇偶函数法与N次旋转法是平面绝对检验方法中常用的两种方法,这两方法在恢复面形的过程中都使用了奇偶函数分解算法,但是在求解奇奇项方面使用的方法不同,对比了这两种绝对检验方法。在奇偶函数法与N次旋转法的算法仿真过程中加入待测平晶重力形变的有限元分析,并对100mm口径平晶进行奇偶函数法与N次旋转法实验,将面形恢复结果与液面法测量结果对比,结果显示奇偶函数法恢复面形的PV值差值为4.864nm,N次旋转法恢复面形的PV值差值为1.853nm。结果表明存在重力影响时,N次旋转法恢复面形精度优于奇偶函数法。仿真分析旋转角度误差对于奇偶函数法与N次旋转法的影响,结果显示N次旋转法抗旋转角度误差能力强于奇偶函数法。     

计算机控制光学加工技术仿真研究

为实现高精度光学元件的面形修正,介绍了计算机控制光学加工技术的基本理论,通过实验法对其去除函数进行了提取,采用迭代法对驻留时间进行了求解,并采用邻域平均值法对边缘数据进行了平滑延拓。以一口径φ100mm的光学元件面形为例进行了模拟加工,得到了其驻留时间分布和加工后面形,加工1843.3min后其面形由初始的PV值243.132nm、rms值53.154nm降为PV值21nm、rms值1.6nm,面形精度改善明显。结果表明:所得去除函数可以用于高精度面形修正,但加工效率仍需提高,所用驻留时间求解方法精度较高,并且经平滑延拓后边缘效应得到有效控制,为后续的实际高精度面形修正提供了理论依据。     

瑞奇-康芒式大口径平面镜面形数据处理方法对比研究

为使瑞奇-康芒法检测结果更为真实地反映出被检平面镜的面形情况,对瑞奇-康芒检测数据处理方法进行研究。针对现有的数据模型,提出利用坐标转换关系法计算平面镜的面形误差。利用仿真验证坐标转换法的有效性并分析此方法的理论计算精度。通过对比实验结果与干涉仪直接检测结果可知,坐标转换法的实际PV检测精度优于1/20 ,RMS检测精度优于1/100 ,达到高精度检测要求。相比影响矩阵法结果,PV精度提高了0.013 ,RMS精度提高了0.003 7 ,证明坐标转换法更适用于瑞奇-康芒法数据处理分析。     

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。     

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。     

高精度大口径平面镜瑞奇-康芒定量检测方法研究

瑞奇 康芒法是检测大口径平面时的行之有效的方法。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,故长期以来该方法只能作为一种定性或半定量的检测手段。给出了数学算法,推导出了被检平面镜面形误差与检验系统波像差之间的相互关系,实现了瑞奇 康芒的定量检测。     

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。