二次泽尼克多项式拟合在检测大曲率零件面形中的应用

研究了一种在平面干涉仪上检测大曲率球面光学零件面形的方法, 将在平面干涉仪上得到的干涉条纹通过图像预处理、快速傅里叶变换(FFT)提取相位、解包裹、泽尼克(Zernike)多项式拟合等处理得到被检球面相对标准平面的面形, 与指定的标准球面相减后, 再一次Zernike多项式拟合得到被检球面相对于指定标准球面的面形, 计算出被检球面的面形误差峰谷(PV)值、均方根(RMS)值及工程上常用的光圈N与局部光圈ΔN, 并模拟出用球面干涉仪或球面样板检测时的干涉条纹, 克服了接触检测的缺点, 为高精度、大曲率半径光学零件表面面形的检测提供了一种适用的方法。     

全视场外差移相双波长干涉面形检测技术

双波长干涉检测技术可以实现高动态范围与高测试精度的兼顾,是一种极具潜力的检测技术,用于干涉检测的压电位移机械移相技术存在着一些问题,使用全视场外差移相技术,低频差的外差光源与面阵探测器采集帧率相配合,相较于传统的压电位移机械移相技术,可以同时保证不同波长的移相精度,简化移相的复杂度,且可以方便实现多步移相。提出了全视场外差移相双波长干涉测量技术,并搭建了全视场外差移相双波长干涉测量系统,测试了在边缘最高偏离顶点球13 μm的非球面以及高度为(1.3±0.1) μm的台阶,经过实验验证其非球面面形PV测试精度为λ/3.53 (λ=633 nm),面形PV测试重复精度为λ/77.38,面形RMS测试精度为λ/14.16,面形RMS测试重复精度为λ/919.10,台阶高度测试精度为λ/16.19,测试重复精度为λ/311.85。     

空间外差光谱仪干涉图修正研究

空间外差光谱技术（Spatial heterodyne spectroscopy, SHS）是一种新型的光谱分析技术,本文基于空间外差光谱仪的基本原理和特点,研究了实际测量中干涉仪两光臂不平衡造成的畸变干涉图的修正方法,模拟计算了干涉仪两光臂不平衡时干涉图的强度变化,并对其进行了模拟修正,修正后的干涉图与理想的SHS干涉图一致性较好。修正方法主要是测量干涉图的非调制项（即未发生干涉时单个光臂的光强）,以及在干涉图数据处理中引入了一个修正因子。通过对干涉仪两臂不平衡的修正,可以有效地提高干涉图反演光谱的精度。     

大口径空间光学反射镜面形动力学响应分析

反射镜的面形精度是保证空间望远镜成像质量的关键因素,随着空间遥感器口径的增大以及光机结构的轻量化使得反射镜结构刚度越来越低,从而使得反射镜的面形非常容易受到环境微振动的影响。然而,遥感器在轨工作状态下,星上具有多种振动源,如步进电机、动量轮、机械制冷机等。为了研究扰动源对反射镜面形动态误差的影响,提出了一种基于模态叠加和泽尼克多项式拟合的面形动力学响应分析方法。对于每一阶模态,其光学表面的振型均可以表示为一组泽尼克多项式的线性组合,并得到一组泽尼克系数。然后,通过模态叠加法可以求出反射镜表面整体的动态面形误差,该误差是由泽尼克系数所表示。由于每一项泽尼克系数对应明确的物理像差含义,所以通过该方法可以方便地分析微振动引起的光学面形响应以及系统像差。     

空间外差干涉图调制项误差分析与校正

空间外差光谱仪一体化制作过程的光学缺陷会导致光学仪器采集到的干涉图存在误差,将仪器的相位误差和非均匀误差共同作用下对干涉图产生的影响称为调制项误差.结合空间外差干涉图与光谱之间的对应关系,基于傅里叶变换的卷积特性提出了一种干涉图调制项误差校正算法以达到同时修正干涉图相位误差和非均匀误差的目的,提高光谱反演精度.对比...     

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。     

光学元件面形的环路径向剪切干涉检测方法研究

提出了将环路径向剪切干涉(CRSI,Cyclic Radial Shearing Interferometry)术应用于光学元件面形检测的新方法.设计了基于环路径向剪切干涉检测光学元件面形的光路系统.根据环路径向剪切干涉法的波前重建算法,模拟计算了任意波前的重建情况,同时在基于开普勒望远系统的环路径向剪切干涉仪上实际测量了一个已知光学元件的面形.结果表明,文中提出的波前重建算法和采用的光路系统可用于实际光学元件面形的准确检测,系统的重复性也得到了研究.     

基于外差干涉的激光超声检测技术

激光超声的震动位移是在纳米级别,所以要检测到微弱的激光超声需要外差干涉系统有较高的灵敏度。为了提高测量精度对光路进行了改进,采用双光路外差干涉仪增强系统抗环境干扰能力;使用聚焦透镜增强干涉仪的聚光能力,提高进入干涉仪的光通量,从而提高精度;在光电探测器前加滤光片,滤除杂散光,提高系统信噪比。通过高频超声实验验证,该系统的位移分辨率能达到0.1nm。     

采用MOPA结构的光学外差干涉激光器

为了满足激光干涉成像,尤其是傅里叶望远镜成像对差频稳定的高功率光学外差干涉模式的需要,提出基于主振功放（MOPA）结构的光学外差干涉激光器的概念,并通过实验验证可行性。从原理上指出现有产生光学外差干涉模式方法的局限性,同时给出基于MOPA结构的光学外差干涉激光器的主要优点。指出基于MOPA结构的激光器可能存在明显影响相干性和产生光频漂移等的限制并设计实验验证。结果表明:功率放大过程对相干性没有明显影响,经过单级功放仍能保持线宽小于0.1 GHz（根据实测相干长度计算线宽约30 MHz）,功放过程和倍频过程对光频漂移无影响,实测频漂小于10 Hz,与声光移频器的频率稳定性相吻合,故推知频漂完全由移频器引起。     

共路外差干涉测量液晶空间光调制器相位特性

为了对液晶空间光调制器进行高精度的校准, 使其满足线性相位调制的应用需求, 采用共路外差干涉法测量了液晶空间光调制器的相位调制特性, 分析了实验系统的测量原理, 取得了液晶空间光调制器相位调制量随输入灰度值变化的实验数据, 并进行了线性校准。结果表明, 实验中所用的液晶空间光调制器的最大相位调制量为2.55π, 利用反插值法对20~240灰度范围内的相位调制曲线进行线性校正后的理论相位调制曲线非常接近理想线性曲线, 相位调制曲线与理想线性调制曲线的相关系数可达0.9996;该测量方法可克服传统测量方法对图像处理的依赖性, 具有较高的测量精度, 相位调制量直接通过锁相放大器就可获得。该研究为基于液晶空间光调制器的高精度波前校正和精密测量提供了参考。     

自由曲面在离轴光学系统中的应用

针对自由曲面能提升成像光学系统的性能和校正像差的特点,分析了自由曲面在离轴光学系统中的应用优势。光学系统选用视场角为30°×11°、焦距为150 mm、F数为3的Cook-TMA。本设计中,离轴三反光学系统的主反射镜采用自由曲面设计。分析了使用Zernike多项式曲面在大视场离轴反射式光学系统中对离轴光学系统性能的提升效果,并与使用常规非球面的情况进行了比较,分析了自由曲面的优缺点。结果表明,自由曲面在提高离轴光学系统的成像质量方面具有更大的优势,系统的平均传递函数比常规非球面提升了15.9%以上,系统接近衍射极限。Zernike多项式曲面在离轴三反系统中的应用效果良好,系统的成像性能得到了较大的提升。     

大视场离轴三反光学系统设计

与传统折射光学系统相比,离轴反射光学系统具有小体积、轻量化和无色差等特点,因此被广泛应用于望远镜系统和空间观测系统等领域。随着目前自由曲面的广泛应用,首先分析了离轴三反光学系统的初始结构参数确定方法,然后在系统的主反射镜设计中引入Zernike边缘矢高形式的自由曲面,最终设计了一款有效焦距为700 mm,视场角为10°,F/#为4.5,系统总长为597.58 mm的离轴三反光学系统。该系统在71.4 lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均大于0.28,畸变均小于0.1%,结果表明,该系统在有效视场内成像质量较好。该系统的设计方法对类似的离轴三反光学系统设计具有一定的参考价值。     

球状光纤耦合器参数与耦合效率的关系

根据光线追迹方法,通过计算和推导,讨论了在制作和设计球状光纤耦合器时应该注意的参数设计,得到其参数与耦合效率的解析表达式,为球状光纤耦合器的设计提供了理论计算依据。     

Characterization of physical-chemical drivers of Hg1−xGdxTe etch rate using time of flight—Secondary ion mass spectrometry and optical interferometry

Time of flight-secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) is a Hg_1−xCd_xTe surface diagnostic tool with unprecedented analysis capabilities, including analyzing a 0.5-μm diameter spot, high mass resolution, elemental and molecular composition scrutiny, applicability to insulators, and surface film sensitivity in the part per million range. The present investigation demonstrates the power of TOF-SIMS when coupled with optical interferometry in understanding process reproducibility and uniformity critical to the fabrication of Hg_1−xCd_xTe detector arrays at RVS. Previous published works and unpublished studies at RVS have shown that geometry and fluid dynamics influence the lateral uniformity of surface chemistry, topography, and etch rates. By combining a set of photolithographically delineated features having various relative areas of photoresist-coated and uncoated regions in varying proximity to each other with various wet etching chemistries, we have exploited TOF-SIMS interrogation along with optical interferometry to investigate physical-chemical drivers of etch rate variation with window geometry orientation with respect to vertical gravity etchant fluid draining direction and proximity to other structures. This study has given us the ability to deconvolve two important etch rate drivers (depletion of etchant species and cross-contamination of etched windows) and elucidate their roles in enhancing and diminishing etch rates for features having far and close proximities to neighboring structures, respectively. This information allows a more judicious optimization of processing technology.     

基于激光自混合干涉能判别转向的角度测量方法

针对现有激光自混合干涉(SMI)角度测量方法无法判别角度旋转方向的缺陷,提出一种基于SMI和表面等离子体共振(SPR)的、能判别旋转方向的角度测量方法.通过判断出射激光束的平均光强变化,确定被测物体旋转的方向;通过预先标定好的激光SMI输出光强和旋转角度间的对应关系,实现对被测物体旋转角度的测量.搭建了旋转平台微小旋转...     

光学元件表面疵病检测扫描拼接的误差分析

为实现大口径光学元件表面疵病的高效率、高精准的检测,本文提出一种能分辨微米级疵病的光学显微散射扫描成像检测系统,因为该检测系统单个子孔径的物方视场为毫米级,所以检测大口径光学元件需对X、Y方向进行子孔径扫描成像并将子孔径图拼接成同一坐标系下的全孔径图。在进行扫描时,系统的机构误差会被引入到子孔径列阵中,导致子孔径拼接处产生像素错位,甚至造成拼接断裂的情况,从而严重影响疵病等级及位置的正确评定。鉴于此,本文对影响全孔径拼接最敏感的误差因素进行了分析,并根据其特点找到合理减小误差的方法,确保子孔径的正确拼接。     

基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统设计

反射系统具有体积小、重量轻、无色差、成像性能优良等特点,广泛应用于航空机载领域。本文基于矩阵光学理论,并以此建立非线性方程组,用数学软件求解得到满足要求的初始结构。优化过程中不断调整系统各镜的偏心和倾斜,消除系统的中心遮拦。在光学系统中引入自由曲面,提升了光学系统的轴外像差平衡能力,增大系统视场角。设计了焦距100 mm,视场角20°×20°,相对孔径为F/7的离轴四反射镜光学系统。结果表明,该光学系统具有较大的成像视场,结构紧凑,无中心遮拦,成像质量接近衍射极限。