基于红外激光干涉仪的非球面面形测试技术研究

本文提出了一种基于红外激光干涉仪检测非球面面形的新方法,分为3个步骤:首先,利用红外激光干涉仪测量分析出非球面与标准球面之间的波像差;然后,根据非球面方程得出非球面与标准球面之间波像差的理论值;最后通过计算得出非球面的面形偏差。为验证这一方法的正确性和可靠性,采用ZYGO可见光干涉仪,使用补偿镜法测量了同一块抛物面反射镜的面形误差。结果表明,两种测量方法结果吻合。本新方法方便快捷,具有较强的通用性,可以用于非球面在加工过程中的面形测试。     

大口径非球面计算全息图检测系统

为了精确地检测大口径非球面面形质量,将曲面圆形计算全息图与补偿镜相结合,应用于非球面折射式检测光学系统中.分析了曲面计算全息图的衍射特性,同时分别阐述了利用曲面计算全息图的这种衍射特性来检测凹非球面及凸非球面的基本原理和方法,给出了具体的设计实例.与传统的非球面检测光学系统相比较,该系统不仅简化了传统光学系统的装调过程,还可以大大降低计算全息图（CGH）与补偿镜的制作精度,减少制作成本.尤其是在凸非球面检测过程中,首次在实验技术方面提出了两步全孔径检测法和调整误差的旋转相减消除法,实验验证了该方法的有效性.     

大口径凸非球面面形检测方法研究

提出了在非球面检验中以反射镜补偿法线像差的方法,用于大口径凸非球面透镜的检测,克服了在检测大口径非球面透镜时一般需要采用多片透镜补偿的困难,降低了设计难度和装调难度,节约了加工成本。设计并研制了大口径凸非球面透镜检测系统,对误差来源进行了分析并给出消除方法。对直径Φ270mm的凸非球面透镜进行检测,测得的非球面面形误差峰谷(PV)值与均方根(RMS)值分别为0.585λ和0.083λ。该方法为大口径非球面透镜检测提供了技术参考,能够适用于大口径透镜粗抛光阶段中的面形检测。     

子孔径拼接和计算全息混合补偿检测大口径凸非球面(特邀)

为了实现大口径凸非球面的高精度检测,提出了将子孔径拼接检测法和计算全息补偿检测法相结合的检测方法。由于其中心的非球面度较小,采用球面波直接检测;而外圈的非球面度较大,采用子孔径拼接和计算全息混合补偿的方法进行测量,再通过拼接算法将中心检测数据和外圈检测数据进行拼接从而得到全口径面形。结合实例对一块口径为540 mm的大口径凸非球面进行测量,并将检测结果与Luphoscan 检测结果进行对比,两种方法检测面形残差的RMS值为0.019λ,自检验子孔径与拼接结果点对点相减后的RMS值为0.017λ。结果表明该方法能够实现大口径凸非球面的高精度检测。     

小口径深度凸非球面的高精度面形检测

凸非球面反射镜在反射式光学系统中的应用非常广泛,但其面形高精度检测一直是光学制造领域的难题。为了实现小口径、深度凸非球面的面形高精度检测,提出了一种基于计算全息图（Computer Generated Hologram,CGH）的零位干涉检测技术。首先,详细阐述了该技术的检测原理和方法,给出了计算全息中补偿测试全息和对准标记全息设计过程中的技术要点;然后结合工程应用,针对口径15 mm、顶点曲率半径11.721 mm、非球面度达到72 μm的深度凸非球面,设计并制造了相应的CGH补偿元件,完成了相应零位干涉检测系统的搭建和检测实验;最后,与Luphoscan的检测结果交叉对比,验证了该检测方法的准确性。该技术为小口径凸非球面的高精度检测提供了一种有效的方法,具有显著的工程应用价值。     

一种小口径凸非球面补偿器的设计

离轴三反光学系统目前常被多谱段共口径光学系统作为共口径端,检测离轴三反光学系统中凸非球面次镜时,需要通过补偿法来实现非球面的高精度检测,因此补偿器的优化设计是关键技术之一。对于二次曲面系数较大同时背面为非透射面的小口径凸非球面,无法采用非球面透射式的补偿法进行检测,因此采用凸非球面直接作为反射面的自准直平行光补偿检验法。根据设计思路,利用Zemax软件构建初始结构并对其进行优化,这样简化了初始结构计算过程,同时能得到理想的补偿器系统结构。给出了一个口径为80 mm、二次曲面系数为-6.5,F数为5.00375的凸非球面反射镜的补偿器系统的设计过程和公差分析过程,系统工作波长为632.8 nm,均方根值为0.000015λ,公差分配后残余波像差为0.0104708λ。     

凸非球面无光焦度双透镜Hindle检验研究

为实现小口径Hindle透镜对大口径凸非球面的高精度检测,提出了一种新的凸非球面无光焦度双透镜Hindle检验方法,通过加入无光焦度校正透镜有效解决了传统Hindle检验的不足.对口径180mm、半径380mm、偏心率2.8的凸非球面进行了设计分析,分别给出了不同光焦度分配及不同无光焦度双透镜间距时系统的残余波像差曲线图,得出较优的系统残余波像差为0.0006λ,验证了该方法的可行性.     

凸二次非球面反射镜的自准法检验

在反射光学系统中大多采用凸非球面,但凸非球面的加工和检验一直是比较困难的问题。利用透射凸二次非球面具有自消像差的能力,从三级像差理论出发,提出了凸二次非球面的透射式自准检验和反射式自准检验两种方案,解决了采用Hindle球检验口径过大的问题。以某型号φ600R-C系统的凸次镜为例,分析了加工过程中的检验精度,并和Hindle球检验方法进行比较。结果表明,凸非球面的自准检验是一种切实可行的高精度检验方法。     

非零位补偿检验非球面技术

为了无需定制补偿透镜或者计算全息等就能实现对非球面光学元件的检测,提出了非零位补偿测试非球面的方法。对非零位补偿检验非球面中的部分补偿法、数字样板法和子孔径拼接法的基本原理和基础理论分别进行了分析和研究,建立了合理的数学模型,并对其具体的实现步骤和测试流程进行了分析和规划。结合工程实例,分别利用数字样板法和子孔径拼接法对一口径为350 mm的浅度非球面进行了面形检测,两种方法面形的PV值和RMS值的偏差分别为0.015和0.002(=632.8 nm),并设计和组建了部分补偿检验装置对一高精度凸双曲非球面反射镜进行了测量,其面形的PV值和RMS值分别为0.183和0.018。     

结合CGH与辅助透镜的长焦距非球面反射镜检测（特邀）

目前,一些大口径光学望远镜主镜的曲率半径已经达到了几十米量级,若单纯利用计算全息实现对镜面进行面形检测,则检测光路长度不低于其曲率半径长度。受场地大小及环境气流扰动等因素的限制,该条件下难以实现对镜面的高精度测量。为了解决大口径长焦距光学镜面的高精度面形检测问题,提出了一种混合补偿干涉检测方法。该混合补偿方法结合了计算全息图和辅助透镜,在有效地缩短检测光路长度的前提下,可以实现对非球面镜面的零位补偿干涉测量。在光路设计中,需要有效地实现混合补偿光路光学设计参数优化以及对CGH衍射级次的分离;同时,检测光路长度应小于非球面反射镜曲率半径大小,以实现缩短检测光路长度的目的。通过对EELT主镜镜面进行仿真检测,结果表明:该方法检测光路长度可缩短至镜面曲率半径长度的1/8以内,设计检测精度优于RMS λ/100 （λ=632.8 nm）。上述仿真结果证明了该方法可以在缩短检测光路长度的情况下实现对待测非球面反射镜的高精度面形检测。     

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）。     

离轴三反望远镜主镜和三镜面形误差补偿机理

为保证大口径离轴三反消像散(Three-Mirror Anastigmat,TMA)光学系统在轨成像质量,探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理,以矢量像差理论为基础,用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差,并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现,位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散;提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式,以系统出瞳波像差RMS值为评价标准,构建离轴TMA系统像差补偿模型,利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时,所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ;系统三镜存在0.05λ像散与彗差时,可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ,且当三镜面形误差在(-0.03λ,0.03λ)范围内时,可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值,使系统成像质量满足要求,为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。     

自由曲面干涉检测中的自适应循环补偿结构

为缓解基于可变形镜（DM）的自适应自由曲面干涉仪存在的固有矛盾——不能同时兼顾大动态像差补偿与DM形变监测范围,前期提出了循环利用DM形变量去产生大畸变波前的自适应环形补偿器（ARCC）,并得到了初步验证。为了推广其在自由曲面自适应检测中的应用,并结合校正光学系统的自由曲面多为低阶像差面的现实问题,对ARCC的低阶像差补偿特性做出了必要验证和研究。首先,通过Zemax建模对比了ARCC和传统单次往返补偿器(TSRC)对于像散、彗差和球差的补偿能力,得出ARCC补偿像散和彗差的能力近似为TSRC的2倍,补偿球差的能力也要显著大于TSRC,验证了ARCC的低阶像差补偿优势;其次,研究了ARCC的低阶像差类型补偿规律,得出ARCC结构中DM上的像差类型与补偿给被测面的像差类型是“一对多”或“多对一”的关系。结果证明:在实际中分别使用ARCC和TSRC对4块低阶像差自由曲面进行补偿验证,同样的DM形变量下,与传统补偿结构相比ARCC展现出更加出色的低阶像差补偿能力。     

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.     

Φ4m口径凹抛物面镜折反零位补偿检验

折反射式零位补偿检验是一种综合了Offner折射式和Maksutov反射式补偿检验优点的凹非球面检验方法,补偿能力强,检测光路紧凑.大口径和大相对孔径非球面检验是制约其加工质量提高的难题,针对口径为4m、偏心率为1、顶点曲率半径为16 m的大口径凹抛物面反射镜,设计了折反射式零位补偿器.基于三级像差理论对补偿器的初始结构进行了规划和计算,采用Zemax软件对初始结构参数进行了优化,得出了补偿器的最终结构,检验光路轴向尺寸约12 m,系统优化后剩余波相差为0.005λ.设计和仿真结果表明,这种折反射式零位补偿器对大口径凹菲球面镜的加工检测是非常有利的.     

超大相对孔径抛物面反射镜的补偿检验

在基于像差理论的基础上,对于超大相对孔径抛物面反射镜,提出了三片补偿镜和一片场镜的零位补偿检验方法,详细论述了补偿检验系统的设计过程,成功地设计了相对孔径为F0.6,口径为φ290 mm的抛物面反射镜的补偿检验系统,从整个设计的结果看出,检验系统的像差被很好的校正,完全达到衍射极限.     

用于非球面通用化检测的部分零位透镜

非球面的非零位法检测高效快速,并可实现较高精度的通用化检测.介绍了一种可用于非球面非零位检测中降低检测光波前斜率的部分零位透镜.该透镜具有较大的球差,可以显著补偿被测非球面的纵向法线像差,使得返回的检测光波前能够被探测器分辨.论述了部分零位透镜的设计过程,特别是约束控制条件以及初始结构的选取原则,并就相对口径为f/2和f/1.5的两个抛物面给出了设计实例.设计结果表明:该部分零位透镜可以对一定口径和相对口径范围内的非球面实现部分零位补偿.利用一系列部分零位镜将可以对较大范围内的非球面进行补偿,从而实现常见非球面的通用化检测.该研究对非球面的通用化检测具有重要意义.     

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.