薄反射镜主动光学实验系统

用口径400mm、厚12mm的薄反射镜作为实验镜进行了主动光学实验.支撑系统由背部12个主动支撑点和3个固定支撑点组成,主动支撑点采用由压电陶瓷促动器和压力传感器组成的力促动器,用于控制实验镜面形,固定支撑点用于控制实验镜的定位.通过Shack-Harmann波前传感器测量镜面面形并拟合出Zernike像差,用阻尼最小二乘法计算出校正力,通过PID算法闭环控制各促动器施加力的过程.通过主动校正,将初始支撑状态下的1.16λ(λ=632.8nm)RMS面形精度校正到0.07λRMS,优于镜面抛光后的0.1λRMS.     

泽尼克像差组合对人眼光学质量的影响

基于人眼光学质量客观评价标准区域调制传递函数（AreaMTF）、斯特列尔比（SRX）和同心相对瞳孔平面（PFWc），分析了波前像差RMS为0．25μm时泽尼克像差项组合对人眼光学质量的影响。C4（离焦）与C12（球差）等组合后，像差比例在1．33到4．90的范围内AreaMTF和SRX有极大值；C6（三叶草）与C7（彗差）等组合后，像差比例在0．20到1．00的范围内它们有极小值。二阶像差（离焦和像散）组合时，C4（离焦）起着主导作用。三阶像差（彗差和三叶草）组合时，SRX和PFWc值的变化范围均较大，分别为0．066到0．228和0．048到0．656。     

人眼不同瞳孔直径波前像差特性分析

采用Hartmann-Shack人眼像差仪,测量了人眼在3.1mm,5.2mm和6mm瞳孔直径下的波前像差。波前像差的RMS值表明,随着瞳孔直径的增大,人眼各阶波前像差均随着增大。与瞳孔直径为3.1mm时相比,瞳孔直径为6mm和5.2mm时,Zernike2-10阶波前像差的RMS值分别增大1.2-7.7倍和1.1-4.8倍。用调制传递函数(MTF)和Strehl比评价了高阶波前像差对成像质量的影响,结果表明,大瞳孔高阶波前像差对成像质量的影响大于小瞳孔;在3.1mm,5.2mm和6mm瞳孔直径下,欲达到衍射极限的Strehl比率,分别需要矫正Zernike波前像差前2-4阶、前3-6阶和前5-7阶,需矫正的像差阶数随瞳孔直径的增大而增加。     

光楔分光中波红外Fizeau型干涉仪光学系统设计

针对中波红外波段胶合立方型分束镜分光局限的问题，本文提出基于光楔分光的中波红外Fizeau干涉仪光学设计方案。在3.39μm工作波长下，为降低干涉系统回程误差，提升测量准确度，采用了两次反射折叠准直光路结构，既保证良好的准直波前，同时优化设计光楔兼顾干涉成像波前。设计采用ZnSe、CaF₂材料，干涉仪准直镜为单片平凸非球面结构，成像镜由双分离式球面镜构成，经蒙特卡罗模拟公差分析，准直镜0.1°视场内准直波前PV优于λ/4，归一化出射孔径内角像差优于3.01×10^-5 rad；干涉成像光路归一化视场成像波前PV优于λ/5，在25 lp/mm处MTF值优于0.38，干涉系统最大成像畸变优于0.11%；在标准面0°视场放置，被测表面倾斜0.05°内干涉系统回程误差小于λ/50。基于光楔分光的中波红外Fizeau干涉仪为中波红外干涉仪光学系统设计提供了新的思路。     

恒星干涉仪延迟线系统地面随机振动响应分析

研究地面随机微振动对恒星干涉仪关键部件-光学延迟线系统性能的影响。利用美国蓝氏(Lansmont)集团生产的SAVER 3X型三轴振动仪实测地面随机振动信号,以输出的G加速度功率谱密度为激励,运用Workbench有限元分析软件计算该结构系统的随机振动响应;根据抛物镜面节点数据拟合出抛物镜面的Zernike多项式系数、抛物镜刚体平移量和抛物镜面PV和RMS值;将Zernike多项式系数导入光学系统中分析光学延迟线系统光学性能;最后利用ELCOWAT 3000电子自准直仪测量抛物镜刚体平移量,分析实际测量结果和计算理论结果偏差。分析计算结果与实验数据最大偏差7.6%,计算抛物镜面形RMS值为9.6 nm,PV值为46.1 nm,波前差为0.043λ。目前的光学延迟线的地面振动满足光学延迟线系统的稳定性要求。使用动态光学性能标准分析判断微振动对系统光学性能的影响程度,为恒星干涉仪其他子系统优化设计和隔振补偿措施提供参考。     

基于标记点的子孔径全局优化拼接检测法

为实现小口径干涉仪完成较大口径光学平面镜片的测试,得到镜片的完整面形信息,提出了基于标记点的平面Givens变换,实现了子孔径的精确定位.采用Zemike多项式拟合对每个子孔径数据进行了消倾斜量的处理.建立了全局优化拼接数学模型.利用该模型进行了九孔径拼接计算机仿真实验,利用该方法得到的PV值和RMS值的相对误差均在10-6左右.对直径为150 mm的镜片进行九孔径拼接检测实验,对比全口径干涉检测结果,PV值和RMS值的相对误差为0.36%和2.27%.仿真和实验结果证明:该方法稳定可靠,降低了传统的子孔径拼接干涉检测方法中对导轨的高精度要求.     

轻质碳化硅平面反射镜超光滑表面加工

介绍了对角线为110mm六边形反应烧结轻质碳化硅平面反射镜超光滑光学加工工艺流程。详细阐述了各个工序所使用的磨具、磨料和抛光机床工艺参数,对实际加工的轻质碳化硅平面反射镜超光滑表面进行检测,检测结果为:面形精度均方根值(RMS)为0.011λ(PV值为0.071,λ=632.8nm),表面粗糙度RMS达0.75nm。     

透镜主动光学的像差补偿性能

针对透射式投影物镜中由于不均匀照明产生的像散,提出了采用平面透镜作为主动光学元件以补偿像散的方法。本文对直径为Φ140mm,通光孔径为Φ120mm的平面透镜的支撑结构进行设计和有限元分析,分析了支撑结构的各个关键参数、镜片厚度和驱动力大小对面形的影响,得到了支撑结构的关键参数和驱动力对面形的影响规律为线性曲线,镜片厚度对面形的影响规律为指数下降曲线和不同驱动力导致的面形图。结果表明,本支撑结构在补偿像散时,面形补偿分辨率约为2nm,引入的高阶像差可以忽略,设计分析结果为投影物镜中主动光学镜片的选择和支撑结构的设计及实验提供依据。     

用于检测激光棒的变倾角马赫-曾德尔干涉仪

为实现激光棒透射波前的测量,改善一般泰曼型或斐索型干涉仪测量小口径激光棒透射波前时的边缘衍射效应,研究了一种变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪。通过调整移相反射镜的倾斜姿态,改变入射到马赫-曾德尔干涉光路的光束倾角,参考光束与测试光束的光程差随之变化,从而在相干光之间引入相移,实现了相移干涉测量。利用该干涉仪测量一根口径为Ф6 mm、长度为60 mm激光棒(Nd:YAG)的透射波前,测量结果的峰谷值(PV)为0.391λ,均方根值(RMS)为0.056λ;使用ZYGO激光干涉仪测量同一根激光棒,其透射波前的峰谷值(PV)为0.370λ,均方根值(RMS)为0.064λ。对比结果表明该干涉仪能实现光学元件透射波前的高精度检测,测试结果的一致性验证了该方案的可行性。该变倾角移相方法具有较高的移相精度和较大的移相范围,且该变倾角干涉系统中光束仅一次透过待测激光棒,可有效抑制多光束干涉现象,改善小口径激光棒的边缘衍射效应。     

大型非球面主镜细磨中的一种在线检测技术

提出了一种在大型非球面镜细磨加工阶段使用的低成本在线检测技术。该技术将高精度测长装置集成在普通数控加工机床上,构成在线测量系统。通过测量工件面形上的各点空间坐标,并将测量数据经过坐标变换、误差补偿等处理,实现在线面形测量。与Leize三坐标测量机对比测量同一个面形,二者的测量结果误差P-V为4．0μm,RMS为0．8μm。在普通数控细磨机床上实现了在线面形测量且测量精度优于5μm。利用此系统,实现了细磨加工过程的镜面面形在线检测。     

空间光学窗口的热光学灵敏度分析

在试验测点温度值的基础上，利用Zernike多项式拟合出玻璃表面的温度分布，对特定的周向、径向、轴向温差和温度水平，进行窗口外玻璃热弹性分析，把节点的热变形拟合为Zernike多项式并代入ZEMAX软件求得系统波前误差的RMS。分析结果表明，在温度变化相同时，窗口外玻璃的周向温差对系统波差影响最大。     

补偿器法检测非球面过程中易出现的误区

补偿器法是测量非球面反射镜面形误差的一种重要的方法.在检测过程中,各个元件之间的调整会带来初级像差,这是影响最终检测结果的一个关键因素.本文以一个1 m 口径的非球面反射镜为例,首先详述了其面形误差检测的设计和测量过程,然后分析了各个元件的调整会带来相应的初级像差,随后给出了实际检测过程中出现的误区,并对其进行了分析和讨论,结合实际的检测过程得出了相应的判断和消除的方法.最后,分别对300 mm、700 mm 口径非球面反射镜与本文1 m 非球面镜的检测结果进行了比较,证明了该误区会使最后的检测数据发生变化,从而使最后的检测结果失真,并验证了先判别后消除方法的可靠性.最后利用正确的方法,检测得到1 m口径非球面被测镜的RMS 面形误差为0.038 λ,满足指标要求.     

基于夏克-哈特曼传感器的星载望远镜波前测量技术研究

精确的测量和控制星载望远镜的波前像差是实现高效空间引力波探测的关键。本文提出了一种基于夏克-哈特曼波前传感器原理的星载望远镜波前像差测量方法,该方法采用经过频域阈值去噪处理后的频域上的互相关算法,使用子孔径数20×16、微透镜尺寸0.279 mm×0.279 mm、焦距34 mm的夏克-哈特曼波前传感器对算法的测量精确度进行验证。对实际点源图像生成已知RMS离焦值(0, 0.22, 0.44, 0.66 nm),从而产生具有偏移量的点源图像。使用模式法进行波前复原后,计算复原波面和残余波面的RMS值,用于比较频域上的互相关算法和传统质心算法的测量精度。结果显示,随着实际离焦值的增加,质心算法的测量误差呈现上升趋势,分别为0.0966 nm, 0.1378 nm,0.1284 nm和0.1463 nm。频域互相关算法可以使夏克-哈特曼波前像差均方根(RMS)误差分别减少13%, 7%, 18%和14%,为空间引力波星载望远镜地面波前像差的高精度测试提供了重要参考。     

光刻物镜高精度挠性结构镜框设计及分析

光刻投影物镜的透镜支撑形式决定透镜的面形精度,进而影响光学系统的成像质量。本设计为实现透镜面形精度优于5 nm的RMS值,提出一种三点挠性主支撑和六点弹片辅助支撑的支撑形式。综合考虑透镜自重、夹持力和热载荷对透镜面形影响,对支撑结构进行优化设计,并进行了仿真分析。仿真后的面形结果为：上表面面形PV 21.7 nm,RMS 4.49 nm;下表面面形PV 81.3 nm,RMS 3.63 nm。仿真结果显示：该种透镜的支撑结构可以满足光刻投影物镜的高精度面形指标要求。     

柱面面形干涉测量

介绍了一种柱面面形干涉测量方法。该方法选用计算全息片作为柱面波转换器,能够将平面干涉仪出射的平面波转换成理想柱面波前,依此为基础,建立了柱面干涉测量系统,能够实现柱面的干涉测量。为了获得柱面的真实面形误差,分析了调整误差引起的失调像差,并给出了失调像差的分离方法。最后,以玻璃圆柱体为被测样本,对单孔径面形的重复性进行验证,20次测量结果峰谷值（PV）标准差为20.2 nm,为PV平均值的0.55％。     

支撑光学制造的几何量计量技术(英文)

几何量计量技术大量应用于光学制造业以检测零件质量和控制生产过程,是光学制造业的核心技术,涉及微纳米结构的几何量计量以及平面、球面、非球面、直纹曲面及自由曲面的面形计量.本文综述了德国联邦物理技术研究院支撑光学制造的部分计量技术.介绍了一种测量范围为25 mm×25 mm×5 mm的计量型大范围原子力显微镜(AFM),可灵活多样地测量各种微纳结构.介绍了一种新颖的AFM探针(ACP),可实现微纳结构侧壁形貌的直接、无损测量.介绍了一种应用Flared AFM探针的真三维AFM及其用于减少针尖磨损的矢量探测技术,可应用于各种纳米结构的真三维测量.介绍了可用于平面和中等曲面面形绝对测量的两种方法:差分型激光束偏转法和可溯源多路传感器法(TMS).讨论了面形测量中存在的挑战性难题.介绍了可用于面形测量的高精度三坐标测量机.     

微机械薄膜变形镜的闭环校正模型

介绍了微机械薄膜变形镜(MMDM)面形影响函数的意义,并测量了Oko公司37通道MMDM的面形影响函数矩阵,实验验证了镜面形变和单个驱动电极电压平方之间的线性关系,分析了变形镜的校正能力,建立了自适应光学系统闭环校正的模型.搭建基于MMDM的自适应光学实验系统,采用人眼出射波前作为原始波前进行实验,结果表明,模型能快速有效的对动态畸变波前进行校正,为基于MMDM的自适应光学系统提供了算法支持.     

Φ300非球面激光平行光管的研制

此激光平行光管具有以前平行光管的优点,且可以与数字相移干涉仪对接,直接进行波前误差的高精度测量.分别用于三种波长,主波长λ=0.6328μm,另有λ=0.532μm和λ=1.06μm两种波长.基于三级像差理论,得出了采用非球面单透镜的平行光管的光学设计初始参数.以通光口径为Φ300mm、后截距为4616mm物镜为例,分析了不同波长下的波差、球差和有效焦距的变化情况.在其设计、加工、检验和装调上解决了诸多关键技术研制出了此规格的平行光管.最终物镜的波前误差达到0.11λ(λ=0.6328μm).     

瑞奇-康芒法中的一种数据处理方法

通过在光瞳面上取点的方法,找出被检平面镜面形误差与检验系统波像差之间的相互关系,即影响函数。利用最小二乘法求解一组过定线性方程组,求得被检平面镜的面形误差,拟合出被检平面面形。将其与干涉仪直接测得的面形相比较,发现两种方法得到的结果很接近。     

自适应光学系统中变形镜和波前传感器共轭位置要求的分析

通过对几何光学和物理光学模型的数值计算,分析了自适应光学系统中小像差畸变波前在空间自由传播时自身的变化情况,进而给出了系统中对变形镜和波前探测器与被校正瞳面之间共轭位置关系的要求和允许范围.结果表明,波前自由传播时的变化程度决定于像差自身的类型和大小、光束的口径以及传播的距离,大口径小像差波前近距离传播时波前变化误差很小.一般来说,变形镜和波前传感器偏离被校正瞳面共轭位置距离满足菲涅尔数大于1000时,对系统校正效果的影响可以忽略.实际应用中,应该根据校正对象的特征来具体计算波前误差随传播距离的变化,从而设计波前传感器和变形镜的位置,以及选择使用4F光学系统.本文的分析可以为自适应光学系统的整体光路设计提供一定理论参考.