高精度大口径平面镜瑞奇-康芒定量检测的精度影响因素分析

针对前人的数学模型,对瑞奇角、旋转角和系统波像差这几个主要精度影响因素进行了仿真分析。结果表明:当瑞奇角的测量误差控制在0.5°以内时,对测量结果影响很小;由于平面镜的面形误差是连续和旋转对称的,所以旋转角测量误差对测量结果影响很小;当系统波像差系数的测量误差|ΔWn,m|≥0.05λ时会影响拟合精度。此仿真结果为提高大口径平面镜检测精度提供了理论依据。     

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。     

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。     

Zernike多项式拟合曲面中拟合精度与采样点数目研究

为了研究采样点数目对由Zernike多项式所拟合的曲面的拟合精度的影响,采用不完全归纳法,取得了采样点与拟合精度之间的数据关系。结果表明:不同的测试函数遵循相同的规律,即采样点数目达到一定数目后,拟合精度随采样点的变化很小。并且,通过计算得到了在较高拟合精度时,采样点数目与Zernike多项式的项数之间的变化规律,实际例子证明了该变化规律的正确性,其对于Zernike多项式拟合曲面具有很好的指导意义。     

基于Zernike多项式进行波面拟合研究

基于Zernike多项式利用Householder变换法对不同空间频率径向误差和不同口径局部误差进行了拟合,得到了拟合误差的均方根(RMS)值,分析了Zernike多项式的局限性。结果表明,Zernike在拟合径向误差时,受到最大空间频率的限制;在拟合局部误差时要受到局部误差口径大小的限制,并且会引起额外的波动。     

Zernike多项式拟合干涉面方法研究

本文就专著和文献中关于Zernike多项式拟合干涉波面几乎都建设采用Gram-Schimdt正交化方法,而不采用比较简单的传统经典的最小二乘法问题进行了深入研究,从理论和实践上严格地证明了两种方法的等价性。实践中发现,用最小二乘法求解Zernike多项式拟合系数的速度比用Gram-Schimdt正交化方法提高了三倍之多。由于在精密光测技术中,Zernike多项式已被广泛采用,因此,“等价性”的证明具有重要意义,并对于其它类似问题也有着普遍的参考价值。     

基于差分传递函数法的大口径平面镜检测

为了实现大口径平面镜的原位检测,本文基于差分传递函数结合瑞奇康芒检测架构,利用全息检测方法结合瑞奇康芒法,通过光瞳的遮拦编码实现大口径平面镜的面形检测。首先,对基于差分传递函数法的大口径平面镜检测基本原理进行了推导,并将现有的大口径波前与重建波前进行对比。最后,利用变形镜搭建了检测光路。本文方法所得到面形与输入面形相关性不低于70%。本文的研究成果对宇宙“首光”探测以及“一黑两暗三起源”等宇宙学基础命题的研究均有十分重要的意义。     

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。     

基于Zernike多项式拟合三平面互检的误差分析

基于Zernike多项式拟合三平面互检法,在理论上对光轴偏离、旋转角度以及有效面积对不同面型精度平面的测量误差进行了分析,并分别进行了实验验证.研究结果表明,旋转角度误差和有效面积对测量影响不敏感,可适当降低标定旋转角度成本;而光轴偏离对测量精度影响明显,在高精度面型绝对检测中应对其进行严格校准.     

基于Zernike多项式拟合的非球面点云数据自动调平

非球面光学元件在光学系统中的应用日益广泛。非球面点云数据调平坐标变换是非球面检测系统误差分析的一个重要环节。提出了一种基于Zernike多项式拟合的非球面点云数据自动调平方法,通过计算Zernike多项式X和Y倾斜项系数确定调平旋转矩阵,通过迭代使其最小化,最终将点云数据回转轴调整至与坐标Z轴平行,使得非球面三维点云测量结果可以进行后续三维比对和截面误差分析。通过理论仿真和实验数据测试验证了方法的有效性,能够将非球面数据倾斜降低到可忽略的程度;方法计算过程简单,对于各类非球面和曲面点云数据的调平变换都具有较好的参考意义。     

Error evaluation for Zernike polynomials fitting based phase compensation of digital holographic microscopy

Combining the experimental research with the simulation calculation, the error evaluation for Zernike polynomials fitting (ZPF) based phase compensation of digital holographic microscopy (DHM) is performed. The obtained results show that the reconstructed phase with high precision can be obtained by ZPF phase compensation algorithm. Moreover, the phase error for ZPF based phase compensation algorithm increases with both the variation of object height and object transverse area, the larger variation of object height, the larger of phase error, and the larger of object transverse area, the faster increase of RMS phase error. To decrease the error of ZPF phase compensation algorithm, it is required to ensure one of the variations of object height and object transverse area to be a small value. Importantly, the proposed method supplies a useful tool for the error evaluation of phase compensation algorithm.     

用Zernike多项式实现光机分析的技术方法

由于光学软件不能直接利用有限元分析的结果，而Zernike多项式的各项与光学像差有对应关系，因此常用Zernike多项式作为光机接口。针对目前常用轴向位移作为拟合量描述拟合面形的不足，给出了几种常用的表面位移校正方法并说明了其优缺点。用具体实例比较各校正位移，并对其进行Zernike多项式拟合，从拟合系数的差异可以看出,曲率比较大的表面必须采用校正位移进行拟合。最后指出：在不知道初始表面方程的情况下，轴向和法向校正位移均采用从初始表面出发的方法，如果已知初始表面方程，则轴向校正位移采用从变形表面出发的方法，法向校正位移仍采用从初始表面点出发进行计算。     

泽尼克多项式校正全息阵列光镊像差的实验研究

像差会影响光镊对粒子的捕获效果. 全息阵列光镊中, 像差不仅来自光学元件, 由特定算法设计的光阱相位片也会在光路中引入像差. 本文通过液晶空间光调制器加载泽尼克多项式相位图, 对全息阵列光镊中由光栅透镜组型算法引起的像差进行校正. 结果显示: 利用三阶泽尼克多项式可有效消除光路中由光栅透镜组型算法引 起的慧差, 使得捕获2 μm聚苯乙烯小球的阵列光阱刚度提高了约40%; 对比不同项的像差校正结果发现, 全息阵列光镊中由算法引起的慧差 与光学元件引起的像差一样, 也会对阵列光阱的捕获效果产生较大影响; 同时根据一阶像差校正结果可得光栅透镜 组型算法对于一阶泽尼克像差具有鲁棒性. 实验结果表明, 对全息阵列光镊中由 算法引起的像差进行校正, 对于提高光阱的捕获效果和深化对算法特性的认识都具有重要意义.     

基于Zernike多项式表示色域边界的色域映射

在彩色图像的跨媒体复制中,由于不同媒体有不同的色域,所以在大多数情况下色域映射是不可避免的。不论采用何种映射算法,色域映射的第一步是确定有关媒体的色域边界。目前大多数的色域边界都是用一组测量的或用其它方法得到的离散数据来表示的。然而,由于这种表示方式是利用一组离散数据来实施色域映射的两个基本处理(即确定任一指定的等色调面平面中色域的边缘线以及确定色域边界与一条映射线的交点),比较复杂和费时,因此希望找到一种色域边界的解析表达式来解决这一问题。简述了不久前提出的一种解析函数色域边界表示方法,并用实例说明了如何利用这种解析表示(Zernike多项式)来实现上述的边缘线确定和交点确定。最后给出了几种映射算法的色域映射完整过程及其结果。     

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。     

波面重构中非圆域Zernike正交基底构造方法

针对非圆域波面拟合中Zernike多项式失去正交特性、拟合系数交叉耦合的问题,提出非圆域Zernike正交基底函数构造方法。以圆Zernike为基底,采用Gram-Schimdt正交组构造方法,线性表出单位正交基底。通过构造不同遮光比环形光阑下的正交基底与环Zernike多项式进行比较,验证了此方法的正确性。然后采用圆Zernike多项式和构造的新基底对矩形光阑下的波面进行了拟合,从拟合残余误差、各项基底系数的稳定性、传递矩阵的条件数等分析,结果表明针对特定的非圆域构造的新基底可靠性和抗扰动能力优于圆Zernike多项式。此方法不需要具体求出基底的解析表达式,不同非圆域仅是正交化系数矩阵发生改变,为非圆域正交基底构造提供了一种新途径。     

基于泽尼克多项式进行面形误差拟合的频域分析

获得泽尼克多项式的频谱信息是正确利用该多项式进行误差拟合的关键。推导出了泽尼克多项式的傅里叶变换公式,在频域中分析了不同阶数该多项式的径向频谱信息和幅角频谱信息,得到了有限项泽尼克多项式能够有效表达面形误差的最大径向空间频率和角频率。基于频域分析理论,利用泽尼克多项式对不同口径局部误差进行了拟合,并利用齐戈（Zygo）干涉仪对带有不同面形误差的光学元件进行了试验分析。结果表明,当误差的径向空间频率或角频率超出泽尼克多项式所能表达的频谱范围时,拟合误差迅速变大。