大口径激光钕玻璃均匀性拼接检测技术

提出了基于600mm口径干涉仪的一维子孔径拼接测量方法,通过像素错位误差模拟分析结果,设计并研制了一维大行程气浮型精密扫描拼接平台,实现了对角线接近1m的大口径激光玻璃的全口径光学均匀性拼接检测,并对该技术的拼接测量精度和重复性进行了验证。结果表明:拼接结果平滑,均匀性拼接测量与直接测量结果的相对误差优于2×10-7,全口径均匀性的重复性优于4×10-8,单口径均匀性测量结果与拼接后相同区域的均匀性结果最大差异为2×10-7。     

子孔径拼接检测非球面时调整误差的补偿

针对在子孔径拼接测量非球面的过程中干涉仪与待测非球面相对位置存在的对准误差,提出了一种基于模式搜索迭代算法的调整误差补偿方法。该方法可以很好地从测量的子孔径相位数据中消除由拼接测量位置没有对准带来的调整误差,实现多个子孔径的精确拼接。对该方法的基本原理和实现步骤进行了分析和研究,建立了子孔径拼接测量的调整误差补偿模型。对口径为230 mm×141 mm的离轴碳化硅非球面反射镜进行了调整误差补偿和相位数据拼接,得到了精确的全口径面形分布。作为验证,对待测非球面进行了零位补偿检测,结果显示两种测试方法的面形PV值和RMS值的相对偏差仅为0.57%和2.74%。     

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。     

石英玻璃光学均匀性测量范围扩展技术的研究

论述了用激光干涉仪测量石英玻璃光学均匀性时测量范围扩展的问题。通过理论研究和实际测量,完成了用180mm孔径干涉仪测量300mm孔径石英玻璃光学均匀性这一目标,为实现用300mm孔径干涉仪测量直径500mm石英玻璃的光学均匀性测量问题奠定了理论与实践的基础。实验通过建立光学均匀性测量范围扩展的数学模型,采用最小二乘法误差消除方法,每步波面分别计算,最后四步合成。创新性地设计了移动测量载物调整装置,实现了高精度多维调整。采用8个子孔径就3块圆形玻璃进行了测试,就拼接测量结果与直接全口径测量结果进行了对标,其拼接波面的均匀性绝对误差平均值分别为0.13×10-5、0.14×10-5、0.03×10-6。     

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。     

利用子孔径拼接法测量大口径凸面反射镜

在简要分析各种检测大口径凸球面方法优缺点的基础上,提出了利用子孔径测量凸面反射镜的新方法,利用干涉仪标准球面波前依次干涉测定大口径镜面上各个区域的相位分布,通过子孔径拼接算法即可求解得到镜面全口径面形信息。对该方法的基本原理和实现步骤进行了分析和研究,建立了大口径拼接检测算法数学模型,设计并研制了大口径反射镜拼接检验装置。结合实例对加工过程中的口径为300 mm的碳化硅凸面反射镜进行了9个子孔径的拼接干涉测量,并将检测结果与全口径面形测量结果进行对比,两种方法残差的PV值和RMS值分别为0.102 和0.009 (=632.8 nm)。     

提取标记点中心在子孔径拼接检测中的应用

子孔径拼接干涉仪中子孔径定位精度难以在大行程范围内得到保证,为此本文提出了基于提取标记点中心定位子孔径的拼接方法。以标记点的中心坐标为标记点坐标,根据标记点在两子孔径局部坐标系下的坐标计算两子孔径之间的坐标变换,将所有子孔径数据坐标变换到统一坐标系下,利用机械误差补偿算法拼接出全口径面形。在搭建的拼接检测系统上实现了外径468 mm的平面镜抛光过程和最终的全口径面形测量,加工过程中的测量结果为面形误差修正提供了准确的数据,保证了最终全口径面形误差RMS快速收敛到35 nm。实验证明,基于提取标记点中心的子孔径拼接检测能放宽对机械定位精度的要求,有效检测大口径光学元件面形。     

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。     

稀疏子孔径采样检测大口径光学器件

针对大口径光学器件在抛光加工过程中子孔径拼接检测效率低的问题,提出并分析了用稀疏子孔径采样法对大口径光学器件抛光加工过程进行过程检测。通过软件仿真分析稀疏子孔径不同的采样分布,并拟合出不同采样分布的全口径面形,与实际测得全口径面形进行比较。结果表明:当稀疏子孔径采样分布合理时,稀疏子孔径采样检测法检测出的全口径面形与实际测量的全口径面形相当,所以稀疏子孔径采样检测法可以在抛光过程中进行检测,从而提高检测效率。     

子孔径拼接中系统误差的修正方法

为了提高大口径光学元件子孔径拼接测量的检测精度,提出一种平面绝对测量技术,修正子孔径拼接过程中产生的系统误差。利用改进的三面互检法获得参考平面的面形数据,采用这些测量数据构建基于Zernike多项式的参考面面形误差修正波面,在拼接过程中运用误差修正波面对获得的子孔径测量数据进行实时修正,并与全口径直接测量结果进行对比,结果PV（peak value,PV,峰谷值）误差从0.072 1 减少到0.028 6 。结果表明该方法有效减少了参考平面系统误差对拼接测量精度的影响,提高了大口径光学元件的检测精度。     

光学材料光学均匀性检测方法分析

光学均匀性是光学材料的重要指标,直接影响到透射光学系统的波面质量,改变系统的波相差。惯性约束聚变（Inertial Confine Fusion,ICF）激光驱动器的研制要求对材料的光学均匀性进行高精度的检测,同时兼顾洁净度要求。实验中利用斐索干涉仪实现了大口径光学材料光学均匀性的检测,并与国外检测数据进行了对比,对检测过程中的影响因素主要包括样品的厚度测量偏差及折射系数偏差进行了分析。结果表明,样品的厚度测量偏差及折射系数偏差对结果的影响较小,可以忽略。同时用两种干涉仪专用软件对大量样品测量数据进行处理,对比了不同干涉仪光学均匀性的计算结果,表明这两种情况下对光学均匀性的处理结果相符,解决了大口径光学坯件光学均匀性的检测问题。     

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。     

使用环形子孔径拼接检测大口径非球面镜

针对高精度大口径非球面镜通常存在定量检验方法(补偿器法、全息法、自准直法)所需要的辅助元件制造困难、成本高这两个主要难点,利用不同曲率半径的参考球面波前来匹配被测非球面表面不同的环带区域,使它们之间的偏离量减小到在小口径干涉仪的测量范围内,每次测量仅是被测表面的一部分,通过算法"拼接"可得到全孔径的面形信息。给出了其拼接数学模型、参量求解方法及其精度评定判据。仿真分析表明,该技术是切实可行的,算法具有较高的拼接精度。该方法无需辅助光学元件就可实现对大口径、大相对口径非球面的直接测量,且具有很宽的适用范围。     

大口径光学玻璃光学均匀性干涉绝对测量方法

在光学透射材料均匀性测量的各个方法中,干涉测量方法作为绝对测量方法,能摈除干涉仪标准面及待测元件的面形影响,具有很高的测量精度而逐渐被广泛使用。详细研究了使用干涉手段测量透射材料均匀性的方法,对其中材料切割角度所引入的误差进行了详细分析,并提出修正方法。同时研究了测量光学材料均匀性的拼接算法,实验表明：该方法可以实现用小口径干涉仪测量大口径玻璃材料的光学均匀性的目的,而且其测量精度很高。     

环形子孔径拼接检测中机械误差的分离

为减少环形子孔径拼接干涉检测中机械误差对检测结果造成的影响,分析环形子孔径拼接过程中机械误差作用分量的表现形式,提出了分离机械误差的全局优化的环形子孔径拼接方法。分析根据波像差理论建立的机械误差分离数学模型,然后将其应用于避免误差传递和累积的全局优化的拼接方法中,并提出利用光线追迹的方法在拼接之前除去理想非球面波前与参考球面波前的差别。应用分离机械误差的拼接方法对口径为75mm、顶点曲率半径为100 mm的抛物面面形进行检测,得到的面形峰谷值误差为0.05,均方根值误差为0.003,验证了该拼接方法可有效分离环形子孔径拼接中的机械误差。     

基于子孔径拼接原理检测大口径光学元件

 为了实现小口径干涉仪对大口径光学元件的低成本、高分辨力检测,可采用子孔径拼接方法。在对拼接算法进行改进的基础上,开发了拼接检测软件;建立了一套拼接检测系统,开展了大口径平面光学元件的子孔径拼接检测实验研究。利用9个60 mm×60 mm子孔径拼接来检测120 mm×120 mm的光学元件,检测结果表明:峰谷值误差为2.37%,均方根值误差仅为0.27%。     

大口径光学元件波前功率谱密度检测

波前功率谱密度（PSD）被用于评价惯性约束聚变激光驱动器光学元件在中频区域的波前误差。高功率固体激光装置对大口径光学元件波前质量的要求有别于传统光学系统,要求对波前误差进行较高空间频率的测量。探讨了大口径光学元件波前的高空间分辨率检测技术,采用大口径相移干涉仪作为波前检测仪器,通过傅里叶变换获得波前一维功率谱密度分布。对惯性约束聚变激光驱动器的典型光学元件进行了波前功率谱密度的的检测和分析。