一种精确测量光学球面曲率半径的方法

在简要总结各种检测光学球面曲率半径方法优缺点的基础上,提出了利用激光跟踪仪和激光干涉仪测量光学球面曲率半径的新方法。首先,通过激光跟踪仪精确定位测量干涉仪出射球面波前的焦点和待测球面镜的曲率中心点坐标,再调整待测球面镜与干涉仪的相对位置,使待测球面镜达到零条纹干涉状态,用激光跟踪仪测定此时待测球面镜上多点的位置坐标,通过计算分析即可得到待测球面镜的曲率半径。研究和分析了这种测量光学球面曲率半径方法的基本原理,并提出了针对凸球面镜曲率半径的多区域测定平均综合优化的方法。结合实例对一口径为400mm的球面透镜进行了曲率半径的测量,测量得到其两面曲率半径分别为1022.283mm(凸面)和4069.568mm(凹面),并将该透镜进行了轮廓法测量对比,其相对误差都小于0.05%。     

基于Shark-Hartmann理论的波前探测技术研究

精确的波前探测是反射镜面型检测及光束波前畸变测量的重要依据,论文根据Shark-Hartmann理论对波前探测技术进行了模拟和实验研究。将平行光经过球面透镜/柱面透镜后形成的球面波/柱面波作为探测波前。实验采用商用的微透镜阵列和CCD搭建Shark-Hartmann传感器,利用实际光束作为参考光,避免了参考光的不准直性对实验的影响。模拟计算结果表明平均曲率误差为13.423 mm,实验结果实现了对球面/柱面/倾斜波的探测及复原。     

高精度检测球面面形的方法研究

短波光学的迅猛发展和高精密光学仪器的需求日益增多,对高精度表面的加工与检测也随之重要起来。而在一般的干涉检测中,球面镜检测精度主要依赖参考镜的精度。利用Jensen提出的干涉仪绝对校准理论可以去除参考镜的误差和干涉仪的附加波像差,从而提高被测件测量精度。在研究Jensen绝对校准理论的基础上,提出一种利用泽尼克(Zernike)多项式进行波面相位转换的方法进行波面处理,并提出具体实施方案。对面形精度优于A／37小凸球面进行测量得出了较好的结果,打破了标准镜头最优A／20的局限,使这一理论简单易行地赋予应用。从而实现了高精度检测球面面形。     

基于重力补偿的立式三平板绝对检测（英文）

为了实现高精度平面面形绝对检测,对传统的立式三平板绝对检测方法进行了重力变形补偿.通过有限元软件仿真了平板在水平放置于工装上的重力变形,并将其加入到平面绝对标定的计算中.把平面标定分成旋转对称项和旋转非对称项分别标定后进行综合,并与旋转平移绝对检测方法的测量结果进行了对比,去除离焦项对比结果均方根小于1nm.为了进一步验证离焦项的标定,对一平板在不同口径环形支撑下的形变量进行了检测和仿真,对比结果的峰谷值小于9nm,达到较高的离焦项测量精度.实验结果验证了基于重力变形补偿的立式三平板绝对检测方法能够实现立式下平面的高精度绝对检测.     

支撑应力对光刻透镜透射波前畸变的影响

为了设计光刻物镜的支撑结构,建立了支撑应力对透镜透射波前影响的模型,研究了该模型中支撑应力与折射率的关系及支撑应力对透镜透射波前畸变的影响。首先,根据晶体理论,建立了融石英透镜波前畸变与支撑应力之间关系的仿真模型。然后,分析了不同支撑结构下支撑应力与融石英透镜波前的关系。最后,分析了支撑应力造成的透射波前畸变的性质,并选择合适的物镜支撑结构。研究结果表明：光刻物镜支撑结构的支撑应力对透镜的透射波前有很大的影响：3点支撑的波前畸变PV值为3.69 nm;随着支撑点数量的增加,支撑应力造成的透射波前畸变逐渐减少;采用大于9点的支撑结构即可满足光刻投影物镜的元件支撑需求。     

大口径球面反射镜曲率半径的精确测量

介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法,提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型,调整干涉仪与被测镜的位置,使被测镜达到零条纹干涉状态,然后架设合理长度组合测杆,调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置,使之达到零条纹干涉状态,再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量,通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析,并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量,测得其曲率半径均值为2 836.774 mm,标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析,找出了影响测量精度的主要因素,合成标准不确定度为0.061 mm。     

大口径球面反射镜曲率半径的精确测量

介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法,提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型,调整干涉仪与被测镜的位置,使被测镜达到零条纹干涉状态,然后架设合理长度组合测杆,调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置,使之达到零条纹干涉状态,再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量,通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析,并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量,测得其曲率半径均值为2 836.774 mm,标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析,找出了影响测量精度的主要因素,合成标准不确定度为0.061 mm。     

基于多次平移的平面绝对检测仿真

将待测面形表示为多项式的和,通过分别沿x,y向多次平移待检光学元件得到移动前后待测元件面形差,采用最小二乘法拟合多项式系数,得到待检光学元件的绝对面形。推导了多次平移法的理论公式,并进行了仿真实验,模拟了移动次数、移动间隔和采样点数对测量精度的影响。仿真结果表明:待测平面与初始平面残差图的均方根值为5.118×10~(-13)λ,理论误差达到高精度平面面形检测要求。     

基于轻量化校准反射镜的旋转平移干涉绝对检验技术

光学干涉绝对检验技术能够实现参考面和待测面面形的有效分离,是对干涉仪进行精度标定的有效手段。面向大口径平面干涉仪的校准需求,旋转平移法仅需一块透射平晶和一块反射平晶,避免了额外加工第3块平晶的成本和难度。但随着口径的增大,自重和支撑使得反射平晶在平移和旋转多种状态下的变形较大,继而影响绝对检验精度。提出设计轻量化的校准反射镜作为反射平晶,采用旋转平移法实现大口径干涉仪的绝对检验。以Φ1 500 mm平面干涉仪作为标定需求,采用碳化硅作为校准反射镜材料,以三角形轻量化结构和6点背部支撑方式进行轻量化设计,控制其质量仅为93 kg,支撑和重力引入的面形变形PV值为9.75 nm。将变形面形叠加至PV值λ/4、不同分布的加工面形进行旋转平移绝对检验仿真计算,对旋转对称程度低且包含较多高频成分的面形,检验精度为λ/30;而对分布平滑对称的面形,检验精度可达到λ/50。因此,为了实现对于大口径平面干涉仪λ/50精度的标定目标,要求碳化硅校准反射镜加工面形PV值低于λ/4,尽量避免高频成分,旋转对称程度高。     

基于平移旋转的球面绝对检测技术仿真分析

基于平移旋转的球面绝对检测技术是一种实现高精度面形测量的有效手段。通过绕光轴多次等角度旋转被测球面测得被测面面形误差的旋转非对称部分,并由共心平移被测球面恢复出被测面面形误差的旋转对称部分,合成即可得到被测球面完整的面形信息。详细推导了平移旋转法的理论公式,并进行了仿真分析。仿真结果表明,基于上述方法获得的被测球面面形误差与初始面形误差残差图的均方根值为5.300 010-12 nm,其与初始面形误差均方根值的比值为1.164 110-12,理论误差极小,满足高精度面形检测要求。     

Absolute surface form measurement of flat optics based on oblique incidence method

In this Letter, a test method based on oblique incidence is practically implemented in the interferometric measurement process. Three sets of wavefront data are achieved through cavity interference measurement with a Fizeau interferometer and one oblique incidence measurement. An iterative algorithm is applied to retrieve the absolute surface shape of the test flat. By adding two sets of measurements, the absolute surface error of the interferometer's reference flat can be obtained. The new method can not only calibrate the reference flat error of interferometer, but also provide the absolute measurement method for high precision optical components applied in high power laser systems.     

透过检测中的准直镜精度容限

在干涉检验过程中,被检元件的面形误差检测精度受到干涉仪系统结构的影响,从而降低测量结果的可靠性。为了得到较高的检测精度,必须对检测系统进行分析,建立测量误差和系统结构的关联度。根据菲涅耳衍射近似理论,就菲佐干涉仪中的准直镜和标准镜面形误差对透过检测的影响进行了研究。通过对波前相位传递情况的分析,得出波前误差和系统结构参量的相关性,去除空腔系统误差,优化结构参量,并建立准直镜误差容限表达式。经计算得出,当被检面形变误差为0.2λ时,测试误差可以达到0.02λ,而对准直镜的面形误差要求只需0.8λ。     

基于已知球面波前的Hartmann-Shack传感器结构参量标定

微透镜阵列到CCD的距离是影响Hartmann-Shack波前探测器精度的主要装配误差之一。对该平移装配误差的修正,能够有效减小波前探测误差。理论求解了球面波前通过微透镜引起的子孔径光斑质心移动量与波前探测器结构参数之间的关系,借助该关系能够求出微透镜到CCD之间的实际距离,以其改进波前斜率的计算。实验验证了理论推导的合理性,并对实际装配参数进行标定,得实际距离为24.2 mm。利用标定后的参数重建波前,其相对误差减小20.4%。实验表明该标定方法能够有效提高波前传感器测量准确性。     

标准球面透镜的几何特性与误差分析

标准球面透镜是斐索型干涉仪的核心器件，综述标准球面透镜的几何特性和误差。分析标准球面透镜在干涉照明光路和成像光路中的作用，重点介绍并实验验证了球面干涉成像的R-sinθ几何特性关系模型，给出了采用Q非球面实现非球面分裂的新型设计方法，以及2片式非球面标准球面透镜结构的实例，概述了针对小F数标准球面透镜球面干涉腔中的待测球面调整误差和移相空间非均匀性误差的研究成果，介绍了校正球面干涉腔中误差的波面差分算法，指出在近标准球面透镜焦点位置测量球面时的回程误差影响，从物像共轭关系角度解释了近焦点位置回程误差较大的原因，比对分析了标准球面透镜的透射波前与斜率对回程误差的影响。提出了在设计标准球面透镜时需注意的几何特性关系，以及使用标准球面透镜时易产生的误差和相应的抑制方法。     

瑞奇-康芒两角度检测法的一种波像差解读方法

瑞奇-康芒法是大口径平面元件面形检测的有效方法.通过分析检测光瞳到被检平面的位置转换关系以及波像差到面形误差的幅值转换关系,分别对检测得到的波像差以及干涉仪离焦产生的Power进行转换处理,利用最小二乘法计算出瑞奇-康芒两角度检测时的干涉仪离焦量,从而获得被检平面的面形误差分布.实验部分给出了第4项到第37项泽尼克多项...     

计算全息法测量长焦透镜面形和焦距

为了同时对长焦透镜的面形和焦距进行高精度检测,提出在Zygo干涉仪的球面光路中加入一个二元衍射元件作为检测件的计算全息法。 首先对计算全息法检测长焦透镜的面形和焦距进行了理论推导,并给出焦距误差公式。在Zemax中使用在平面基底上制作的二元衍射元件对一个长焦透镜的面形和焦距进行了模拟检测,其中对该长焦透镜面形的干涉检测PV值为0.0034λ,对焦距的检测精度为-0.11%。最后详细分析了两类误差对检测结果的影响,其中光学元件的位置误差影响不超过0.1λ;二元衍射元件的制造误差影响约0.01λ,在具体制造过程中,其径向位置误差和台阶误差可分别在2 μm和5 nm之内。在综合考虑各项误差的情况下,该方法的检测精度仍然可控制在2λ/25之内。     

On-ground simulation of optical links for free-space laser communications

A method of on-ground simulation of optical links for free-space communications by Fourier-transform, image magnification and wavefront sampling with limited apertures was proposed. An optical simulator for free-space laser links was designed, which has the range of equivalent links distances from 160,000 km to 25 km. It can be used for the evaluation of communication performances of optical links in space, particularly for measuring the bit error rate under a constant transmission distance or for testing the equivalent transmission distance under a constant bit error rate. System analysis indicates that the wavefront aberrations of Fourier-transform lens have the main influence on the measurement results. But these effects can be corrected only if the RMS value of wavefront aberrations of Fourier-transform lens on the work aperture is known. Simulation experiment further shows that this method will be feasible by providing excellent optical devices and fine calibration accuracy and by overcoming the environmental disturbances.