数字莫尔移相干涉仪误差多点标定与修正研究

干涉测量在现有的光学元件面形检测方法中具有测量精度高的优势,应用相对广泛。但干涉仪元件的加工和装调误差会降低面形检测精度。提出一种利用夏克哈特曼波前传感器对实际干涉仪系统进行多点标定的方法,利用波前标定数据在光学设计软件ZEMAX中实现对虚拟干涉仪系统的修正,结合数字莫尔移相算法,消除实际干涉仪加工和装调误差的影响。选取平面镜和可变形镜作为待测镜分别进行面形测量实验,结果表明,标定和修正后的数字莫尔移相干涉仪系统检测精度提高,与Zygo干涉仪的检测结果相比,面形趋势保持一致且峰谷值(PV)值误差相差在0.07λ(λ=532 nm)以内。     

SPG-1型激光数字波面干涉仪干涉系统的设计、制造与装调

已经研制成功的SPG-1型激光数字波面干涉仪是激光技术、微机技术与干涉仪相结合而形成的一种新型光学面形的测试仪器。本文概述该仪器的设计指标及其依据,干涉系统的设计要求,设计结果,关键干涉元件的制造以及干涉系统的装调。仪器的最大口径为φ80mm,最高测量精度为λ/40,分辨率为λ/100,球面测量范围为500mm曲率半径以内.可以测量A级光学样板。干涉系统应有低的噪音、高的干涉条纹对比度及条纹亮度可调等要求。所采用的菲索型与泰曼型的干涉系统中,引入偏振元件而形成偏振干涉系统较好地满足了上述要求。仪器的自检误差优于0.04λ。为了使SPG-1型数字干涉仪及早产品化,提出了一个组合式的设计方案。     

刀口干涉仪

一种使用刀口检验和干涉检验技术的刀口干涉仪被研制成功。其干涉仪采用了径向剪切系统,因此大尺寸光学元件容易被检测。实验结果表明因这台仪器检验大尺寸光学元件面形的精度达λ/20.     

实时数字干涉技术

随着电子技术和计算机技术进入干涉测试领域,出现了用于光学零件面形检验、测量精度达到λ/100的实时数字干涉仪,它标志着光学测试技术发展的新水平,代表了光学检测仪器的一个发展方向。我国在研制实时数字干涉仪方面正处在起步阶段。本文综述实时数字干涉技术的背景概貌,介绍几种采用不同位相调制方法实现直接位相测量的技术:外差干涉技术、锁相干涉技术和条纹扫描技术。     

被测件随机移相干涉面形测量方法

针对光学元件的面形测量,提出了一种被测件随机移相干涉面形测量法,用于降低移相干涉仪的成本,避免移相器老化产生的移相误差对面形检测精度的影响。该方法利用微位移驱动器驱动被测件在摩擦气浮复合导轨上移动进行随机移相并用相机采集若干幅干涉图;然后利用最小二乘迭代算法处理干涉图数据进而迭代出被测表面相位分布;最后进行一系列数据处理求解出被测件的面形结果。为了验证该方法的可行性,在实验室搭建了改进的斐索移相干涉系统,并选用一个凹面镜和一个平面镜作为被测件在搭建的系统上进行了实验测试,同时与同台仪器上的传统移相方法得到的测量结果进行了比对。结果表明:在激光光源波长λ为632.8nm的情况下,凹球面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式测量结果相差0.001λ,和0.002λ;平面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式的测量结果相差0.002λ和0.003λ,面形数据基本一致。该方法避免了移相器老化引入移相误差,降低了仪器成本,测量精度高。     

拼接干涉技术在同步辐射领域的发展现状及趋势

针对同步辐射领域光学元件的口径逐渐增大,其面形测量精度的要求已达到纳弧度级的问题,本文研究了该领域先进的面形测量方法——拼接干涉技术,以实现光学元件的高分辨率二维测量。介绍了拼接干涉技术的基本原理,综述了目前同步辐射光学领域常用的面形测量设备——激光光束长程面形仪、高精度自准直纳米测量仪,以及拼接干涉仪的发展历程和特点,比较了它们各自的缺点和优势。最后,分析了拼接干涉涉及的主要误差来源,指出该技术的应用和发展趋势主要有拼接算法的创新,干涉仪测量的快速化,拼接干涉仪的商业化,以及拼接干涉技术与其他科学技术的融合等。     

长波红外差分干涉仪光栅低温安装结构设计与优化

长波红外差分干涉仪在低温工况下会因光学元件受到非均匀应力作用产生干涉条纹的畸变,从而降低干涉仪系统性能。本文为解决低温工况干涉条纹弯曲畸变问题,基于长波红外差分干涉仪光机系统进行了干涉条纹畸变影响因素分析,结合光-机-热耦合分析方法,对干涉仪系统低温工作状态进行仿真。随后设计了针对影响条纹畸变的关键元件——光栅元件的低温微应力动态稳定支撑安装结构,结构优化后的光栅表面面形均方根（Root Mean Square, RMS）值为3.89×10-2 nm,面形峰谷值（Peak to Valley, PV）值为2.21×10-1 nm,分别较优化前初始系统的分析结果减小了5个数量级,系统仿真干涉条纹畸变小于1个探测器像元。全系统低温验证试验表明,优化结构可有效抑制干涉条纹畸变,畸变量小于2个探测器像元,试验与仿真计算结果一致性较好,验证了优化分析方法的有效性。该优化方案对提升反射式光学系统结构低温稳定性,提高系统工作能力有较大意义和价值。     

基于相位偏折术的大像差透射波前检测

针对各种复杂光学与工业元件的表面面形等加工误差检测需求,提出了基于相位偏折术的透射波前检测方法。为获得由透射元件加工误差引入的波像差,建立相位偏折检测系统并对模型化系统进行光线追迹,由实际测量结果相对光线追迹结果的变化计算得到待测元件波像差。并用计算机辅助的结构误差校正方法,对系统结构误差进行校正。为验证检测方法的可行性和大动态范围,分别进行Zygo干涉仪比对实验与工业透射元件检测实验,并对工业透射元件检测中的全反射问题及影响进行分析。结果表明,所提出的检测方法不仅能达到与干涉检测方法相当的检测精度,还能实现大动态测量范围,为各种光学及工业透射元件提供了一种可行有效的波前检测方法。     

离轴抛物面的对比测量

采用离轴角度90°、口径1 inch的离轴抛物面作为样品,比对了传统零位干涉测量结果和非接触式3D非球面光学面形测量系统Luphoscan之间的差异。利用Zemax仿真了离轴抛物面六个维度的调整误差对测量结果的影响,分析了离轴量误差在两种完全不同测量过程中的表现形式,解决了Luphoscan测量结果可用性问题。根据仿真结果搭建动态干涉仪的零位检验干涉光路,建立了离轴抛物面的六个维度调节标准流程,可快速消除调整误差和离轴量误差,多次复现性测试结果达到了pv=0.135λ的精度。     

球面绝对检测及误差控制

高精度检测技术是促进光学加工技术发展的必备条件.ZYGO干涉仪检测光学表面面形代表着国际先进水平,常规检测精度取决于仪器配备的标准镜头(通常标准镜头精度为λ/10,最高精度可达λ/20),λ/20测量精度不能满足更高精度面形检测的需求.本文探讨了表面绝对检测技术及误差控制,通过用ZYGO干涉仪及两种精度等级的参考镜头对f/1.07的球面镜进行常规GPI干涉和双球面实时绝对检测比对,证明了表面绝对检测的有效性.实验及分析表明在超净实验室、高精度防振平台、高精密可旋转5维调整架及精密导轨的测量条件下,采用表面绝对测量技术,严格控制基准定位和共焦位置旋转角度定位,多次重复测量,λ/10标准镜头同样能够达到λ/30 PV的高精度检测目的.     

基于保偏镜组的外差干涉测量几何误差分析

角锥棱镜由于本身缺陷会导致失偏效应。在平面镜外差干涉仪中,使用一种保偏反射镜组替代角锥棱镜,以减小外差干涉仪的非线性误差。根据这个平面镜外差干涉仪的基本光路图,基于偏振分光棱镜和角锥棱镜的基本光学特性,分析了平面镜外差干涉仪中3个偏振分光棱镜偏摆角、仰俯角和滚动角,保偏反射镜组中2个偏振分光棱镜之间的间距和角度,以及角锥棱镜的偏摆角和仰俯角等误差对干涉仪的影响。推导出外差干涉仪中各个光学元件的最大安装误差,并规定好其加工精度,确保外差干涉仪性能。     

轴对称非球面绝对形状误差测量

正非球面光学元件表面形貌的干涉测量因须透过计算机全像片、零透镜等补偿元件提供与待测元件相匹配的理想非球面波前,故需严谨与复杂的程序进行测量系统即包含干涉仪内部光路系统对准误差、参考球面镜头与补偿元件等误差的校正。然而,测量结果亦包含镜片之夹持变形、承受重力的自重变形与测量环境的震动与气流扰动等信息,此类误差源对中大口径、测量光程长的光学元件的面形检测影响尤其大。近年,诸多文献探讨光学元件的绝对形状测量技术,透过多组态的测量架构     

光学面形绝对检测的数字干涉新方法

本文提出一种光学面形绝对实时检测与控制的新方法。从干涉图中可将干涉仪的系统误差与参考面误差分离出来,从而高精度地、实时地获得被检面的绝对数据。这对光学加工,实时检测以及提高光学系统质量具有理论和实际意义。本文给出实测结果,其测量精度可达到λ/50∽λ/100。     

纳米精度外差式激光干涉仪非线性误差修正方法研究

提出一种外差干涉非线性误差修正方法,采用混频技术将光频信号降低到通用数据采集系统频率响应范围内;采用高速数据采集板实现外差干涉测量信号和参考信号双通道同步实时采集;对采集数据进行光滑处理,滤除高阶非线性误差;解出位移量对应的相位差。试验结果表明,所提出的修正方法可以较好地修正双频激光干涉仪中存在的非线性误差,使外差干涉仪测量不确定度由原来的20nm降低到10nm。     

用于CNC位置环测量的外差激光干涉仪的研究

提出了用声光调制器实现的外差干涉仪,采用了相位变化整数周期和周期测量的外差干涉信号处理方法,不仅使干涉仪的测量分辨率提高到λ/2000,同时提高了测量镜允许运动速度,解决了用于大动态范围位移的态动测量问题。该外差干涉测量系统可以用作精密数控中位置环的测量手段。     

通过傅里叶变换测量多表面面形

为了更简便、准确地测量透明平行板,提出了一种基于区域生长算法与傅里叶变换的单幅三表面干涉条纹相位恢复方法。通过傅里叶变化将三表面干涉条纹图由空域变化到频谱域。不同表面的干涉条纹在频谱域中对应的位置不同,通过改变区域生长算法中的参数,提取出合适的区域,最终得到面形。该方法可以由单幅三表面干涉条纹图同时得到透明平行板前后两个表面的面形。分析了由算法求得的表面面形的误差,通过叠加分离的双表面干涉图与原三条纹图进行比较,得到相应的误差分布图,通过误差分布图可以改善算法的精度。将得到的面形与Zygo干涉仪得到的面形进行对比,发现该方法测量精度较高,其相位提取误差PV值小于0.12λ,RMS值小于0.065λ;重复性得到验证,其重复率可靠度优于λ/100。测量到的面形与物体真实面形接近,测量方法更加简便。     

LDI-2激光数字波面干涉仪

<正> 富通光电工程公司新近开发出 LDI—2激光数字波面干涉仪。仪器采用独特的数字移相方法,可进行实时数字干涉测量。这种干涉仪可用于精确定量测量凹球面镜的面形误差和曲率半径。配备辅助光学件后,本仪器还可以测量凸球面、平面、非球面镜的面形误差以及光学系统的波像差等。仪器最大可测孔径达 F1.3,仪器不确定度λ/50(F4)、λ/5(F1.3)。     

大口径高次、离轴非球面干涉测量中投影畸变的标定方法

提出了运用干涉仪的Fiducial功能确定干涉仪CCD的测量坐标系与非球面镜面坐标系的对应关系,然后对两者关系进行正交化拟合,从而标定出非球面干涉检验中的投影畸变,并用于某高次、离轴非球面进行干涉检验中的投影畸变标定,拟合精度为1.964 53μm.根据标定结果对干涉测量面形图重构,进行了数控抛光实验,最终面形精度达到均方根值λ/20(λ=0.632 8 μm),证明拟合精度完全满足数控抛光的要求.     

大口径高精度斐索干涉仪球面参考镜设计

设计了一款口径为30.48cm高精度斐索激光干涉仪参考镜,其F数为0.82,参考面半径为224.99mm。所设计的参考镜其透射波前峰谷值为0.095λ,均方根值为0.028λ,透射波前斜率最大值为11μrad。理论分析了参考镜的回程误差对面形检测精度的影响,其最大值为0.29nm。利用Zemax光学设计软件对参考镜进行了仿真分析,仿真与实验结果表明,该标准镜头可满足精度1nm的元件面形检测需求。     

双球面法标定立式参考球面的精度分析

采用双球面法对立式Fizeau干涉仪的参考球面进行标定以确定由重力、安装夹持力等导致的面形形变量,提高立式光学系统中光学元件的面形检测精度.首先,推导了双球面法标定算法;进而,理论分析和模拟计算了影响检测精度的环境、重力、安装夹持力等因素;最后,利用双球面法对立式Fizeau干涉仪的参考球面进行标定,并利用误差合成理论分析实验结果.实验结果显示,利用双球面法标定F/1.5的立式Fizeau干涉仪参考面的精度为2.3 nm.其中,算法本身以及实验操作引起的测量重复性不大于0.7 nm,包含环境误差时的重复性低于1.2 nm;重力导致的面形形变约为0.9 nm,标准镜安装导致的面形形变约为1.7 nm.结果论证了双球面法具有很高的标定精度;环境对检测精度的影响与干涉腔长度有关,长度增加时影响很明显;立式工作时,重力、安装等因素导致的标准镜参考球面的面形形变很大,在高精度使用前必须进行标定.