高精度平面子孔径拼接算法研究

对平面子孔径拼接累积误差的理论分析及数值仿真表明,参考镜面形的拼接重叠区域的局部斜率差和直流偏差是产生累积误差的原因。为了提高大口径平面光学元件子孔径拼接检测精度,提出一种简单有效的可以减小子孔径拼接测量累积误差的方法,该方法采用第4项和第6项泽尼克像差拟合一个假设的准参考镜面形,再从每个子孔径测量结果中减去,最后拼接合成全口径面形。对450mm×60mm的平面镜进行了8个子孔径的拼接检测,去除准参考镜面形前后,拼接测量结果与Zygo公司24英寸(600mm)口径干涉仪检测结果的偏差峰谷(PV)值从λ/7减小至λ/100。所拟合的准参考镜面形误差为0.02λ(PV值),与标准镜的面形误差为同一量级,其对每个子孔径测量结果的影响可以忽略。实验结果表明,本文方法能够有效控制拼接累积误差,提高拼接检测精度。     

一种修正子孔径拼接中系统误差的方法

通过对子孔径拼接中系统误差放大效应的分析研究,提出一种修正由干涉仪参考平晶引入的系统误差的方法。该方法只需利用三面互检获取参考平晶在拼接轴上(水平和垂直方向)的面形数据,再用该数据构建参考平晶的面形误差修正波面,即运用Zernike多项式(离焦和像散项)对误差修正波面进行低阶二次曲面的拟合,并在子孔径拼接测量中进行实时修正。实验证明,该方法能够消除由干涉仪参考平晶所引起的系统误差对拼接的影响,有效提高拼接波面的精度。     

高精度子孔径拼接中参考面误差的去除方法

基于最小二乘拟合的传统干涉子孔径拼接方法实现了小口径干涉仪对大口径光学元件的检测,然而在子孔径测试过程中,由于干涉仪上的参考面存在面形误差,将使获得的各子孔径的面形数据偏离真实值,所以在进行高精度面形测量时,获得参考面的面形误差并将其补偿掉是非常必要的。因此,提出了一种在拼接过程中用Zernike项对子孔径间重叠区域数据进行拟合的方法来求得参考面面形。首先在传统的目标函数上加入一系列Zernike项表征待求参考面,然后按照最小二乘法对函数进行求解得到各项系数,从而得到拟合的参考面。对平面和球面分别进行了子孔径拼接实验,拟合得到的参考面面形与QED拼接干涉仪计算得到的参考面面形的PV值偏差小于5nm,RMS值偏差小于0.2nm,拼接后的重叠区域不匹配误差值小于10nm。实验结果表明,在子孔径拼接过程中可以补偿参考面误差而得到更真实的拼接面形。     

非球面非零位拼接测量的对准误差模型

为消除非零位拼接检测非球面中对准误差对拼接结果的影响,建立了基于对准误差修正的优化拼接模型;在非零位检测非球面对准误差模型的基础上,分析对准误差各误差分量的表现形式及影响规律,并建立了基于对准误差补偿的拼接检测非球面的数学模型,实现子孔径的高精度拼接合成。实验表明,该方法可以有效地提高拼接测量精度,经过对准误差校正的拼接测量结果的PV值精度可达0.03λ。     

面向条带SAR的多孔径图像偏移自聚焦算法

本文提出了一种能够用于机载条带式合成孔径雷达（SAR）运动误差估计的多孔径图像偏移自聚焦算法。首先,将条带SAR数据分割为有重叠的估计子块,各个子块又分为具有重叠场景的多个子孔径,并通过后向投影算法在距离多普勒域构建子孔径图像;然后,对各个子孔径图像进行互相关处理,在分析影响互相关函数的因素的基础上,给出了求解各子图像之间的重叠场景相对偏移的方法;最后,给出了子块内的误差估计方法与子块间的误差拼接方法。对实际数据的处理结果表明,所提算法能够精确且鲁棒地估计机载条带SAR的运动误差。     

子孔径拼接干涉测量一大口径双曲面(英文)

为了无需辅助元件就能够实现对大口径非球面的检测,将子孔径拼接技术与干涉技术相结合,提出了一种利用子孔径拼接干涉检测非球面的新方法.分析了该技术的基本原理,并基于齐次坐标变换、最小二乘拟合建立了一种综合优化的拼接模型,在此基础上初步设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装备.利用该方法对一口径为350 mm的双曲面进行了5个子孔径的拼接检测,得到拼接后的全口径面形误差的PV值为0.319λ,RMS值为0.044λ(=632.8 nm).为了对比和验证,对该非球面进行了零位补偿检测,两种方法测量所得的全口径面形分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为0.032λ和0.004λ.实验结果表明:该数学模型和拼接算法是准确可行的,从而提供了一种非零补偿测试大口径非球面的手段.     

光学偏折子孔径拼接面形检测技术

针对大口径的高斜率动态范围光学元件的测量需求,提出了基于光学偏折技术的子孔径拼接测量方法。利用所搭建的条纹投影光学偏折测量系统,结合子孔径划分拼接方法,对各子孔径分别进行测量,并根据实际测量结果与测量系统模型光线追迹结果的偏差,高精度测得各个子孔径的面形数据,由此对各子孔径进行拼接来实现全口径面形测量。光学偏折测量技术相对干涉法具有很大的测量动态范围和视场,可极大降低所需的子孔径数量,由此大大提高了检测效率。同时提出了针对重叠区域的加权融合算法来实现拼接面形的平滑过渡。为验证所提出方案的可行性,分别进行了仿真分析以及实验验证。对一高斜率反光灯罩进行拼接测量实验,并将拼接测量与全口径测量结果进行对比。结果表明,利用所提出测量方法获得的拼接面形连续光滑,且与全口径测量面形RMS值偏差为0.0957 μm,优于微米量级。该测量具有较高的测量精度和大动态测量范围,并且系统结构简单,为各类复杂光学反射元件提供了一种有效可行的检测方法。     

环形子孔径拼接检测非球面中的数据处理和标定

利用环形子孔径拼接法,无需零位补偿就能够实现对大口径非球面的测量.但是用干涉仪直接测得的各子孔径的相位数据中包含非共光路误差,同时必须把各子孔径的CCD像素坐标统一归化到镜面上,才能够实现全口径的拼接.提出了一种用干涉仪MetroPro软件中的Fiducial功能模块标定坐标投影畸变的新方法,同时利用Zemax软件模拟非共光路误差,并利用编制的相位拟合软件对该误差进行Zernike多项式拟合,从而很好地实现了坐标统一,并使非共路误差从相位分布中剔出.结合实例对一口径为350 mm的非球面进行了拼接实验,并将拼接结果与零位补偿检测结果相对比,结果吻合,其PV值和RMS值的偏差分别为0.031 λ和0.005 λ(λ=0.6328μm).     

大口径碳化硅反射镜面形子孔径拼接干涉检测

为了突破大口径反射镜面形检测的瓶颈,提出了子孔径拼接干涉检验方法。分析研究了子孔径拼接的基本原理与实现流程。基于三角剖分算法、最小二乘拟合和齐次坐标变换等建立了综合优化子孔径拼接数学模型。结合工程实际,规划7个子孔径完成了口径为800mm的大口径碳化硅反射镜的拼接测量,获得了全口径面形分布。利用基准靶标并基于迭代算法实现了镜面物理坐标与拼接像素坐标之间的转换,从而为大口径反射镜后续数控精确加工提供了依据。     

一种降低平面子孔径拼接累积误差的方法

干涉仪参考镜面形离焦误差难以精确标定,是导致拼接累积效应、制约平面子孔径拼接系统检测精度的主要因素。推导了参考镜离焦与拼接累积误差、拼接次数间的定量表达式,基于该表达式在拼接过程中标定并去除参考镜离焦误差,降低拼接累积误差。对450 mm×60 mm的平面镜进行了8个子孔径的拼接检测,与大口径干涉仪检测结果比对,去除参考面离焦误差前后拼接测量误差峰谷(PV)值从λ/10减小至λ/30,有效提高了拼接测量精度。结合绝对检验技术标定参考镜高阶面形误差,验证了离焦是引起拼接误差累积的主要因素,消除参考镜高阶面形误差并不能显著提高拼接检测精度。     

Subaperture stitching testing of an aspherical surface

For the purpose to test large and off-axis aspheric surfaces without the aid of other null optics, a novel method combined subaperture stitching and interferometry is introduced. The basic principle and theory of the technique are researched, the synthetical optimization stitching mode and effective stitching algorithm are established based on homogeneous coordinates transformation and simultaneous least-squares fitting. The software of SSI is devised, and the prototype for testing of large aspheres by SSI is designed and developed. The experiment is carried on with three subapertures for an off-axis sic aspheric mirror with a clear aperture of 230×141 (mm). For the compare and validation, the asphere is also tested by null compensation, the synthesized surface map is consistent to the entire surface map from the null test, the differences of PV and RMS error are 0.023λ and 0.014λ, respectively; and the relative errors of PV and RMS are 0.57% and 2.74%, respectively .The results conclude that this technique is feasible and accurate. It enables the non-null testing of parts with greater asphericity and larger aperture.     

子孔径拼接检测光学平面反射镜技术

干涉检测作为高精度光学面形加工的基础,其检测精度决定了加工精度。为了解决大口径光学平面反射镜检测问题,基于子孔径拼接算法,提出了一种拼接因子用于重叠区域取值,同时利用 100mm口径干涉仪对120mm口径平面反射镜完成拼接检验,并将拼接检测结果与利用150mm 口径干涉仪直接检测结果进行了对比分析,实验结果表明,拼接结果无拼痕,拼接检测结果与全口径测量结果PV 与RMS 的相对偏差分别为7.25%与7.14%,检测面形是一致的,由此验证了拼接检测的可靠性和准确性。     

对基于拼接干涉术的同步辐射镜测量技术的研究

随着同步辐射光源和自由电子激光器相关技术的发展和光束质量的提升,对用于转递和聚焦光束能量的X光反射镜的指标要求也逐渐提高。为避免引入额外的波前误差,反射镜面形高度误差均方根值的要求已逼近至亚纳米量级。如此苛刻的面形要求对X光反射镜的测量工作带来了极大的困难和挑战。除了在各国同步辐射光源得到广泛使用的长程轮廓仪等基于角度测量的轮廓扫描仪器之外,基于激光干涉仪的拼接干涉技术也发展为测量同步辐射镜的一种有效手段。文中主要介绍了近期笔者等为测量X光反射镜而开发的拼接干涉平台。利用这一测量平台,研究了在不同的拼接参数下的多种拼接模式。着重讲述了其中纯软件拼接模式的基本原理和实际测量。用实测结果与不同测量仪器和不同研究机构的结果进行比对,验证了拼接干涉测量用于检测同步辐射镜的有效性,并展示了此拼接平台的测量表现。根据所得的测量数据看来,使用纯软件拼接模式来测量X光平面反射镜时,测量重复性的均方差值可以达到0.1 nm左右;而测量X光双曲柱面镜时(曲率半径的变化范围为50~130 m),测量重复性的均方差值为0.2~0.3 nm。此结果基本满足平面和接近平面(曲率半径大于50 m)的同步辐射镜常规检测和为确定性加工提供面形反馈的需要。     

一种去除拼接干涉图中累积误差的简单方法

用子孔径拼接干涉法来检测大口径光学元件和光学系统是一种成本较低的有效手段。但是随着子孔径数目的增加,拼接得到的面形图中存在着很大的累积误差严重影响了拼接的精度,因此如何简单快速地去除累积误差成为子孔径拼接干涉检测法研究的主要问题之一。文中介绍了一种简单且快速的方法去除拼接中的累积误差。并且对一个大小为180 mm80 mm 的平面镜进行了6 个子孔径拼接检测实验。在实验中,文中提出的方法很好的去除了拼接中的累积误差。     

基于白光干涉无重叠拼接的微结构表征方法

针对白光干涉技术(WLI)应用于大范围测量时图像重叠拼接会引入误差并降低测量效率这一缺欠,本文基于纳米测量机(NMM)提出了一种无重叠拼接的白光干涉测试方法。利用NMM的高精度定位能力,扩展了普通白光干涉仪的测量范围,实现了对微结构近4倍于CCD视场的大范围测量,验证了无重叠图像拼接的可实现性。     

The effect of stitching errors on the spectral characteristics ofDFB lasers fabricated using electron beam lithography

Field stitching errors and their effect on the single-mode characteristics of distributed feedback (DFB) lasers fabricated using electron beam lithography were investigated. The stitching errors are associated with small-area, high-resolution electron beam exposure, which has the potential advantage of high-speed writing of laser gratings. Measurements show that the errors are composed of a systematic and a stochastic part. Their effect on the gain margin was simulated both for λ/4 phase-shifted and optimized multiple-phase-shifted DFB lasers. Simulations show that the lasers are insensitive to the systematic part of the stitching errors if the number of errors is large enough. The stochastic part was found to give rise to a variation in gain margin of the DFB lasers. It is concluded that the field stitching accuracy in the high-resolution mode of a commercial system for electron beam lithography is sufficient to provide a high yield of single-mode lasers. However, it is essential that certain precautions be taken considering exposure conditions and that a fault tolerant laser design be used     

Minimization of phase errors in long fiber Bragg grating phase masks made using electron beam lithography

Centimeter-long fiber Bragg grating phase masks having several thousand periods are fabricated using electron beam lithography and require the stitching together of many electron beam writing fields. Two techniques are used to minimize the effect of phase errors arising from the stitching process. Fiber Bragg gratings with more than 99.9% reflectivity are photoimprinted using the phase masks and near perfect spectral response is obtained in spite of stitching errors.     

旋转扫描序列图像的投影矩阵和拼接应用

利用8参数投影矩阵(单应性矩阵)拼接旋转扫描序列图像的方法,由于矩阵估计误差的影响,配准精度不高,易导致拼接图像中的景物歪斜.针对这一问题,通过研究相机拍摄旋转扫描序列图像的透视关系,推导了一种5参数的投影矩阵,减少了单应性矩阵中8个参数之间的相关性,从而降低了投影矩阵估计误差对全景图拼接的影响,提高了配准精度.图像拼接实验结果显示,应用该5参数投影矩阵得到的全景图,能够保证场景正直,配准精度较高,视觉效果良好.     

高陡度保形光学非球面环形子孔径检测方法

环形子孔径拼接技术检测大口径、高陡度光学非球面具有低成本、高效率的特点。提出一种基于最小二乘法和泽尼克多项式拟合的环形子孔径拼接方法检测高陡度光学非球面。研究了环形子孔径拼接算法的基本原理,对环形子孔径的划分方式进行数学公式推导及参数运算,建立被测非球面的有效数学模型。全口径的拼接结果与原始波面基本一致,二者PV和RMS差值分别为0.015 1、0.004 7(为632.8 nm),残差的PV和RMS值为0.043 5、0.005 2,验证该算法的有效性和准确性。