蔡梦雪 1,2,3,4王孝坤 1,2,3,4张志宇 1,2,3,4李凌众 1,2,3,4[ ... ]张学军 1,2,3,4
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 应用光学国家重点实验室，吉林 长春 130033
4 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室，吉林 长春 130033
由于仪器传递函数（Instrument Transfer Function, ITF）能准确反映仪器在空间频率上的响应特征，被广泛应用于仪器规范之中。目前多采用刻有单一台阶特征或不同周期正弦特征的平面测试板对干涉仪的ITF进行检测。针对平面测试板无法完成高陡度球面/非球面镜检测时ITF标定的问题，提出了根据球面台阶测试板标定高陡度镜面检测的子孔径拼接ITF的方法。通过超精密车削技术制作了球面台阶测试板，并对其进行拼接检测，根据梯度定位法和旋转矩阵完成检测孔径中台阶的定位及采样，利用傅里叶变换方法实现对台阶实测面形的功率谱密度求解，最后与理想面形功率谱密度做比获得ITF。对口径100 mm、曲率半径100 mm、带有同心圆环台阶结构的球面台阶测试板进行拼接检测以及数据分析，实验结果表明：在1 mm−1的空间频率范围内，各个子孔径对高陡度镜面的检测水平平均可达到82.72%，具有较好的检测精度，随后ITF逐渐衰减，当空间频率在1.5 mm−1左右时，仅能达到40%~60%。
高陡度球面 高陡度非球面 仪器传递函数 子孔径拼接 球面台阶测试板 high-steep spherical surface high-steep aspheric surface instrument transfer function sub-aperture stitching spherical step test board 红外与激光工程
2023, 52(9): 20230462
红外与激光工程
2022, 51(9): 20220576
1 中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018
2 浙江大学温州研究院，浙江 温州 325006
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。
光学检测 条纹投影光学偏折 子孔径拼接 大动态范围 optical testing fringe-illumination deflectometry sub-aperture stitching large dynamic range 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210105
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
大口径空间巡天望远镜的精确平场定标是实现既定科学目标的重要前提。目前普遍是通过平场屏幕或大口径积分球提供均匀平场基准来检验像面响应一致性。针对平场屏幕照明均匀性差，超大口径积分球制备困难等问题，本文提出了一种基于子孔径扫描的平场定标方法，以改善平场基准的均匀性及杂散光导致的定标不确定度。首先，完成子孔径平场定标理论分析，建立子孔径平场定标数学模型，规划子孔径扫描路线及扫描孔径大小，进行标定用准直系统参数的初设计。其次，完成像面照度仿真验证实验。最后，搭建实验平台，对规划的子孔径进行扫描，构建全口径照度数据，验证上述大口径空间巡天望远镜子孔径拼接平场定标方案的可行性。实验结果表明：以全口径为基准，用子孔径拼接法扫描待测系统像面能量叠加对比全口径像面照度，能够恢复全口径的照度信息，全口径像面灰度值为231.085，单个子孔径叠加灰度值为233.350，误差为1%，本文研究表明子孔径拼接法可用于大口径巡天望远镜的平场定标，具有实际应用价值。
大口径 平场定标 巡天望远镜 子孔径拼接 large diameter flat-field calibration survey telescope sub-aperture stitching
为了实现大口径凸非球面镜的高精度检测, 本文研究了凸非球面非零位子孔径拼接检测技术, 并建立了一套非零位拼接检测算法模型, 模型中分别针对同轴子孔径与离轴子孔径非零位检测时所引入的测试误差进行了建模分析, 同时对测试误差剔除、拼接系数求解、全口径面形获得等问题进行了研究。最后, 结合工程实例, 对一口径为130 mm的凸双曲面进行了拼接检测, 分析了该非球面各测试子孔径非零位检测误差形式, 同时进行了误差剔除、全口径面形获取等工作。从拼接结果中可以看出, 拼接结果光滑、连续、无拼接痕迹。为了进一步验证拼接精度, 我们将拼接结果与子孔径检测结果进行对比, 引入了自检验子孔径评价方法, 计算得到自检验子孔径与拼接结果在自检验子孔径范围内的残差图, 二者残差图的PV值与RMS值分别为0016λ与0003λ, 由上述结果可以得到自检验子孔径的测试结果与拼接结果在自检验子孔径范围内是一致的, 从而验证了本文算法的拼接精度。
干涉测量 子孔径拼接 非零位 凸非球面 interferometry sub-aperture stitching non-null convex aspherical mirror
中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室, 上海 201800
如何提高子孔径拼接干涉测量精度是子孔径拼接系统的关键问题。针对一维平面子孔径拼接系统，分别采用两两拼接算法和误差均化拼接算法，进行拼接位移台定位误差、参考面面形误差和随机噪声对拼接精度影响的数值仿真与分析。仿真结果表明，对于平面拼接系统，参考面高阶误差、随机噪声对拼接精度影响较小，高阶误差的影响略大于随机噪声的影响；参考面低阶误差(二阶项误差)在拼接过程中会累积放大，是平面拼接干涉测量的主要误差来源，误差均化拼接算法不能有效控制参考面低阶误差的拼接累积误差；两两拼接算法与误差均化拼接算法得到基本相同的拼接结果。对450 mm×60 mm的平面镜进行了15个子孔径的拼接测量，去除参考面低阶误差面形前后，拼接结果与大口径干涉仪的测量结果偏差从λ/3［峰谷值(PV)，λ=632.8 nm］减小至λ/45(PV)。
测量 平面子孔径拼接 拼接精度 拼接算法 累积误差
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
巨型科学可控反射镜(GSSM)缩比模型(GSSMP)的子孔径拼接误差的分析可以指导GSSM的面形检测工作.GSSMP子孔径拼误差包括子孔径刚体位移误差以及中频扰动.对子孔径刚体位移误差而言, 合理的靶标布置以及最小二乘算法的使用, 可将误差量级降低到计算机可分辨的最低程度, 即不引入算法误差; 同时也降低了对测试执行部件的精度要求.对中频扰动误差而言, 可结合标准平面镜与干涉仪对实验环境中大气湍流的影响进行估计.除此之外, 对子孔径拼接顺序带来的误差进行分析.最后, 基于三十米望远镜的面形评价方法, 即斜率均方根对上述误差进行换算表征.算法修正后, 子孔径对准误差为 10－6 μrad、子孔径平移误差为10－6 μrad、子孔径倾斜误差为10－6 μrad以及大气扰动误差为0.04 μrad.利用信噪比来表征拼接顺序所带来的影响, 使用一个子孔径作为基准进行拼接的情况下, 拼接顺序带来的影响小于2%.本文的拼接算法, 可以在较低的机械精度下, 利用靶标对准与合理的拼接顺序, 达到较高的拼接精度.
三十米望远镜 巨型科学可控反射镜原理样机 误差分析 子孔径拼接 Thirty Meter Telescope Giant steerable science mirror prototype Error analysis Sub aperture stitching
上海大学 机电工程及自动化学院, 上海 200072
为了满足车间条件下大口径光学元件的高精度在位、在线检测的迫切需求, 本文构建了一个适于一般环境下应用的动态干涉拼接测量实验系统。该系统由动态干涉仪、二维移动平台、控制系统及拼接软件等部分构成。应用该系统对200 mm×300 mm×20 mm的光学元件在一般应用环境下进行了拼接测量实验, 采用误差均化拼接算法进行拼接, 并对拼接后的结果进行分析处理, 比较拼接测量与全口径测量结果, PV值的相对误差为3.1%, RMS值的相对误差为16%, Power值的相对误差为2.1%。该系统为在车间环境下建立大口径光学元件在位检测建立了基础。
光学检测 子孔径拼接 动态干涉仪 大口径光学元件 误差均化拼接 optical testing sub-aperture stitching dynamic interferometer large optical elements error average stitching
1 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
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。〖JP2〗对450 mm×60 mm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(600 mm)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
测量 干涉测量 大口径平面镜 子孔径拼接 误差累积 中国激光
2016, 43(11): 1104002
