光栅拼接旋转误差检测系统

拼接光栅技术是提高高功率激光器输出能量的一条可能途径,为保障高功率激光器光束时空光束质量,拼接光栅角度误差必须小于0.4μrad,位移偏差小于20 nm。为了满足光栅拼接调整系统的高精度高稳定性要求,设计了光栅拼接旋转角度偏差检测方案用于测量两块相邻光栅之间的相对空间姿态。测量系统测量光束与压缩器主光束同轴,利用相移式干涉仪测量待测光,得到若干干涉图样,通过快速傅里叶变换还原波前得到相邻两块光栅相对空间角度偏差。通过实验验证了检测系统的理论可行性,目前在小口径光束下精度达到0.45μrad。测量方案结合拼接光栅只需要测量波面倾斜误差的要求,简化了干涉测量光路及图像分析流程,有利于光栅拼接技术的工程化应用。     

光栅拼接旋转偏差实时监测调节实验

为了获得拍瓦激光系统需要的大口径高破坏阈值光栅压缩器,用多块电介质膜光栅进行拼接是解决问题的有效方法.旋转偏差需要控制在1μrad内,才能避免拼接误差带来的时空特性影响,因此利用零级光和一级衍射光对旋转偏差进行独立监测,采用二次曲线拟合法对干涉条纹中心位置进行高精度测量,测量精度可达0.1 pixel,检测到旋转偏差约0.5μrad;高精度的要求受调节机构和环境的限制,需实时监测调节来保持光栅姿态,将偏转量反馈给光栅调节装置保持拼接子光栅的位置,可长时间保持在0.5μrad偏差内.实验结果表明,光栅拼接旋转偏差实时监测调节能满足拼接高精度和长时间稳定的要求.     

一种小型化纳米级单光栅位移测量系统的研制

随着纳米技术的广泛应用以及人们对纳米位移测量认识的不断深化,光栅位移测量技术正在受到广泛的关注。在研究反射式光栅位移测量原理的基础上,设计并实现了一种小型化纳米级单光栅位移测量系统,对系统总体设计、光路布局以及软件算法进行了阐述,最后,利用电容位移传感器ASP-10-ILA等辅助仪器进行了对比实验。实验结果表明:在两路信号不完全正交的情况下系统也能实现准确测量,且理论上系统的位移测量分辨率达到1 nm;在电容位移传感器的量程范围内进行小位移对比试验,系统测量均值与参考值最大偏差118 nm,且与拟合直线偏差均小于100 nm;当光栅发生10 mm以上的较大位移时,测量结果与均值的偏差均小于5 ppm。     

基于干涉条纹傅里叶分析技术对拼接光栅调整偏角的计算分析

阶梯光栅共相拼接技术是实现增大光栅尺寸、进一步提高天文光谱分辨率(天文光谱分辨率R>105)的关键。为了提高中阶梯拼接光栅的调整角度精度,本文基于干涉条纹傅里叶分析,提出了一种干涉条纹空间载频频率的九像素平均算法;然后结合干涉条纹光栅拼接技术,模拟了不同角度偏差下的条纹变化及其相应的傅里叶分析角度计算,在实验上实现了对系统角度调整系数的标定以及对傅里叶算法计算的调整偏角精度的分析,获得了拼接光栅调整系统中角度最大计算误差精度小于0.4μrad的结果,为天文上应用的大尺寸拼接光栅的共相调节提供了理论支持。     

采用改进的单神经元PID控制算法提高光栅拼接精度的方法

为获得米量级以上的大口径光栅,光栅拼接技术已被公认为是一种经济可行的方法。而在光栅拼接中,光栅拼接稳定性的控制是核心问题之一,因此,在较高拼接精度的要求条件下(错位误差在纳米量级,角度误差在亚微弧度量级),寻求有效合理的比例积分微分(PID)闭环控制算法显得异常重要。将基于BP神经网络的整定方法应用到PID控制中,将传统的用零初态时过程加入单位阶跃输出的第一个值用计算符号函数值来代替,实现了单神经元自适应PID控制;在此基础上,为了改善系统响应初期的上升时间,采用变化神经元比例系数的值来代替常量K值的学习算法。通过仿真分析表明,提出的控制算法使系统响应具有好的快速性的同时又不会产生大的超调量;实验结果也表明改进的控制算法能保证其光栅拼接误差控制精度。     

高稳定性阵列光栅拼接架设计与验证

光栅拼接是解决光栅口径限制的一种有效途径,而光栅拼接的难点是子光栅的精密调整和稳定性保持。为实现子光栅的精密调整,采用了差动螺纹和压电驱动器两级驱动调整机构,子光栅调整精度可达纳米量级;为提高光栅拼接架结构稳定性,对影响光栅拼接架结构稳定性的因素进行了理论分析,根据分析结果,设计了新型的光栅拼接架,采用整体式支撑结构以提高光栅拼接架的固有频率,用柔性铰链代替弹簧以提高子光栅与光栅支撑架的联接刚度,光栅拼接架的稳定性得到大幅提高。经实验测试,拼接架的稳定时间超过1h,子光栅间相对位移标准差为35.7nm,拼接架满足使用要求。     

拼接压缩光栅波像差理论研究

为了研究波像差对拼接的影响,采用模拟计算的方法对两对存在像差的子光栅的远场光斑特性参量进行了理论计算,在一定评价判据的基础上,得到了光栅的拼接精度。结果表明,当拼接子光栅的波像差为0.5的慧差时,其最大拼缝偏差约为0.42个光栅周期,最大角度偏差约为0.52rad,均比无像差时的拼接要求有所降低,这一结果对制作大口径拼接压缩光栅是有帮助的。     

光栅干涉位移测量技术发展综述

介绍了经典双光栅测量系统、非对称双级闪耀光栅测量系统、单光栅测量系统、基于2次莫尔条纹的光栅测量系统、同心圆光栅2维位移测量系统、2维光栅位移测量系统的测量原理,阐述了各系统的关键问题及不足之处。同时结合双频激光干涉仪外差干涉思想,在单光栅测量系统的基础上,提出了双波长单光栅式纳米级位移测量方法,并通过分析系统特点指出该方法能实现大量程测量、获得纳米级的精度和分辨力。在对各种测量方法进行综合比较之后,总结了光栅测量的关键问题,并展望了光栅干涉位移测量的未来发展方向。     

基于最大似然估计算法的子孔径拼接检测技术

大口径平面镜作为光学系统的重要组成部分, 其面形精度对系统成像具有重要影响。子孔径拼接检测作为大口径光学平面反射镜检测的常用手段, 子孔径拼接算法是该技术的核心。研究了平面子孔径拼接算法, 基于最大似然估计与正交化Zernike多项式拟合建立了一套合理的拼接算法与数学模型, 基于该算法模型可以有效实现对大口径平面镜的拼接检测, 同时编写了相应的拼接程序, 并利用100 mm干涉仪对120 mm的平面镜进行了拼接检测, 给出了拼接检测与全口径检测的对比结果, 对比结果表明: 拼接所得全孔径相位分布与全口径检测结果的RMS值偏差分别为0.002, 验证了算法的可靠性与准确性。     

大口径拼接压缩光栅波像差研究

为了研究大口径拼接压缩光栅的固定像差和随机像差对光学拼接的影响,采用数值模拟的方法,理论分析了参考光栅的衍射光斑特性。在有效判据的基础上,得到了光栅的拼接精度。结果表明,当拼接子光栅的波像差为1.0λ时,其最大拼缝偏差约为0.26个光栅周期,采取人工干预后,最大拼缝偏差增加到0.42个光栅周期。与此同时,最大角度偏差约为0.71μrad,两种特性参量均比无像差时的拼接要求大幅度降低。这一结果对高能量皮秒激光装置的改进有一定的积极意义。     

基于小口径反射镜的大口径拼接光栅压缩器设计

为实现大口径拼接光栅拼接误差的高频高精度补偿的工程应用,提出了一种基于小口径反射镜补偿大口径拼接光栅压缩器拼接误差的方法。基于双程Z型压缩器,分析了小口径反射镜补偿量与拼接误差的关系,采用光线追迹法和夫琅禾费远场衍射原理定量计算了各拼接误差补偿后对远场能量分布的影响,证明了该方法原理的正确性,并得到了直接驱动光栅与反射镜补偿时的各误差容限,结果表明该方法能极大降低拼接光栅的精度要求。     

大口径凸非球面反射镜子孔径拼接检测

为了获得大口径凸非球面反射镜全口径的面形,提出了利用子孔径拼接检测大口径凸非球面的新方法。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的数学模型,设计并研制了大口径反射镜拼接检验装置。结合实例对一口径为260 mm 的碳化硅凸非球面反射镜进行了9 个子孔径的拼接干涉测量,并将拼接检测结果与全口径面形测量结果进行对比,两种方法测量面形PV 值和RMS 值的偏差分别为0.043和0.021（=632.8 nm）。     

大尺寸曲面形貌测量系统的点云拼接技术

在利用机器人进行大尺寸曲面形貌测量的过程中,提出一种基于室内全球定位系统(iGPS)的点云拼接方法,以iGPS世界坐标系为点云拼接的坐标系,建立了点云拼接数学模型。利用粒子群优化(PSO)算法对迭代最近点(ICP)算法进行改进。基于球心距测量的点云拼接实验验证了所搭建测量系统的精度小于0.1 mm。在汽车前保险杠点云拼接实验中,最大负偏差为-0.05189 mm,最大正偏差为0.0727 mm,均小于0.1 mm,偏差分布较为均匀,验证了所提算法在大尺寸点云拼接方面具有较好的效果。     

平面子孔径拼接干涉测量精度分析

如何提高子孔径拼接干涉测量精度是子孔径拼接系统的关键问题。针对一维平面子孔径拼接系统,分别采用两两拼接算法和误差均化拼接算法,进行拼接位移台定位误差、参考面面形误差和随机噪声对拼接精度影响的数值仿真与分析。仿真结果表明,对于平面拼接系统,参考面高阶误差、随机噪声对拼接精度影响较小,高阶误差的影响略大于随机噪声的影响;参考面低阶误差(二阶项误差)在拼接过程中会累积放大,是平面拼接干涉测量的主要误差来源,误差均化拼接算法不能有效控制参考面低阶误差的拼接累积误差;两两拼接算法与误差均化拼接算法得到基本相同的拼接结果。对450mm×60mm的平面镜进行了15个子孔径的拼接测量,去除参考面低阶误差面形前后,拼接结果与大口径干涉仪的测量结果偏差从λ/3[峰谷值(PV),λ=632.8nm]减小至λ/45(PV)。     

大口径反射镜子孔径拼接自检验精度分析

为了解决大口径反射镜子孔径拼接精度评价的问题，提出了自检验的子孔径拼接精度分析方法，实现了对大口径反射镜拼接精度的分析评价，同时提供了一种拼接精度检测方法。自检验即利用子孔径检测面形对拼接获得的拼接结果进行拼接精度检验。讨论了相应的精度评价指标及计算方法，并结合工程实例，利用600 mm 干涉仪实现了对800 mm 平面镜的拼接测量。以自检验的评价方式对拼接精度进行了分析，结果表明，拼接结果是准确的，同时验证了以自检验方式评价拼接精度的可靠性与准确性。     

一种对称式双光栅干涉位移测量系统的研制

作为纳米位移测量技术领域的关键解决方案之一,干涉型光栅位移测量系统具有高精度、高分辨率、小体积的特点。干涉型光栅位移测量系统中采用的干涉光来自光栅的衍射,所以系统对光栅的偏摆角度较为敏感,装调难度大。为此,研制了一种对称式双光栅干涉位移测量系统,基于光学多普勒频移效应和圆偏振光干涉等原理实现高精度位移测量,系统对位公差小,装调简便。性能测试结果表明,该系统的实测分辨率为0.8nm,重复性为1.4nm;在1~14.5μm的位移范围内校正前系统测量精度为15.4nm,采用系统运动轨迹误差校正后精度为5.5nm,进一步采用周期性误差校正后精度达到1.4nm。     

拼接镜主动光学中子镜曲率半径偏差分析

拼接镜主动光学以完全相同的小口径反射镜为基础进行镜面拼接,使其共焦和共相,等效得到相应的大口径反射镜,并使其达到衍射极限成像。在各个子镜的拼接过程中,曲率半径不一致直接导致系统的成像性能受到较大影响。以3片子镜组成的拼接镜主动光学为基础,对子镜间曲率半径的偏差进行了分析。其中子镜为对角线长为346.42 mm的正六边形球面反射镜,等效单片反射镜口径为634mm,经过分析得到子镜之间曲率半径偏差应小于±0.02 mm,此时拼接镜成像分辨力为0.309?,斯特涅尔比大于0.8,达到衍射极限。     

大口径平板中频波前均方根的测量方法

在高功率激光系统中,大口径元件的中频波前影响系统的安全运行,中频波前均方根(PSD1)是用来评价中频波前质量的关键参数。由于大口径干涉仪在系统传递函数(STF)上不能完全满足中频波前的检测要求,提出采用小口径高分辨率干涉仪检测的统计分析方法,建立了统计理论模型,分析了测量不确定度。建立了子区域PSD1检测装置,提出了子区域倾斜补偿法,提高了检测精度。理论及实验结果表明针对400mm×400mm分析区域,子区域数量设置为4×4,置信水平为95.4%时,测量不确定度为±0.266nm。该方法与大口径干涉仪检测法的对比实验表明,400mm×400mm分析区域内检测结果偏差小于5%。子区域统计分析法是对大口径干涉仪检测法的有益补充,对先进光学制造工艺的优化具有重要的参考价值。     

基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量研究

纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉,同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案,研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法,该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号,通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点,结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号,获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量,实验结果表明,经过线性修正后,其位移误差不超过0.241%。     

拉杆式线位移传感器校准系统

针对现有的拉杆式线位移传感器校准速度慢、周期长、工作量大、精度低等弊端,研制出一种基于光电检测技术的线位移传感器自动校准系统。该系统采用伺服电机驱动精密直线运动机构,由光栅传感器实时检测运动滑座的位移,作为线位移传感器的标准位移输入。同时,校准系统检测线位移传感器的电压输出,根据这两者间的输入输出关系确定拉杆式线位移传感器的灵敏度、线性度、重复度等特性参数。整个校准过程由计算机控制,从而实现了对拉杆式线位移传感器的自动校准。分析结果表明,该校准系统能够解决工业现场拉杆式线位移传感器校准问题,实现了校准过程的自动化、快速化与高精度。