西安工业大学光电工程学院陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，陕西 西安 710021
提出一种可用于非球面面形检测的同步环带子孔径干涉（SASI）检测方法。该方法利用双焦点透镜形成两个测量波前来匹配非球面不同子孔径区域，进而实现非球面的同步环带子孔径干涉测量。分析SASI检测非球面面形的原理，确定双焦点透镜的焦点间距选取原则，建立子孔径的基准统一模型，通过光学追迹软件辅助建模和坐标变换实现子孔径基准统一与非球面面形重构。结合实例对一个口径为90 mm、顶点曲率半径为317 mm的抛物面进行面形检测实验，SASI方法面形重构结果与Luphoshcan方法检测结果的对比，验证了SASI方法的正确性。该方法在一定程度上扩大了干涉仪直接检测非球面的动态范围，且无需复杂的运动机构就可以同步得到被测非球面两个子孔径区域的干涉图样，加快了检测速度、降低了运动误差对测量精度的影响。
物理光学 干涉测量 非球面检测 非零位测量 同步环形子孔径
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 100039
基于计算全息图（Computer-Generated Hologram，CGH）的非球面检测技术通过控制衍射光相位来生成所需要的参考波前，从而实现非球面的零位检测，近年来，该技术已经发展成为非球面的主流检测技术。对于CGH编码，采用传统编码方法实现高精度编码，其数据量往往高达几十甚至上百GB。因此，为同时确保编码精度高及编码数据量小，本文提出了一种变步长CGH编码方法。该方法首先通过寻找等相位面的方法得到CGH条纹分布，然后通过计算相位分布梯度选取不同的取样步长，使CGH能利用尽可能少的点实现高精度编码。利用变步长搜索的编码方法进行编码并制作了CGH对非球面样品进行检测，检测结果为3.142 nm （RMS）。为验证检测结果可信度，本文设计并制作了补偿器对同一非球面进行检测，其检测结果为3.645 nm （RMS）。对两检测结果点对点做差，RMS值为1.291 nm，结果表明该编码方法可满足非球面高精度检测需求。
计算全息图 计算全息编码 非球面检测 computer-generated hologram CGH encoding aspheric test
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
Q-type非球面广泛应用于光学系统设计中,针对Q-type非球面超精密加工过程中的面形检测问题,提出了一种MATLAB软件与Taylor Horbson PGI-1240非球面轮廓仪相结合的方法,以达到对Q-type非球面进行高精度检测的目的。检测结果表明,由Nanoform 700 Ultra单点金刚石超精密车床加工的全口径为11.8 mm的单晶铜Q-type非球面面形误差峰谷(PV)值为0.1963 μm,表面粗糙度方均根(RMS)值为0.03412 μm,满足加工第一阶段面形误差PV值<0.2 μm和表面粗糙度RMS值<0.04 μm的要求。此检测方法可以精确得到工件面形误差,为下一阶段车削加工提供数据支持。
测量 Q-type非球面检测 MATLAB 非球面轮廓仪 单点金刚石车削 激光与光电子学进展
2019, 56(15): 151201
1 中国科学院上海技术物理研究所公共技术室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 同济大学物理系, 上海 200083
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180 mm、半径380 mm、 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。
几何光学 Hindle 检验 无光焦度透镜 凸非球面检测 geometric optics Hindle testing zero-focal power lens convex aspheric testing
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室 超精密光学工程研究中心, 吉林 长春 130033
在高数值孔径(NA)投影光刻物镜中, 随着数值孔径的增加, 非球面的偏离度越来越大。对这种大偏离度非球面进行亚纳米量级的检测, 一直是光学检测的一大难题。本文首先对一偏离度超过500 μm的偶次高次非球面进行了计算全息图(Computer-Generated Hologram,CGH)设计, 设计出了满足高精度面形检测和刻蚀加工要求的CGH。然后, 针对此设计方案, 定量分析了CGH的成像畸变及畸变对像差分析的影响。分析结果表明, 不同径向位置的成像倍率偏差(畸变)最大达到了2.7∶1, 并且由于畸变的存在, 低阶像差衍生出了明显的高阶像差。最后, 针对用CGH检测大偏离度非球面时出现的成像畸变, 提出了采用光线追迹与最小二乘法相结合的成像畸变的校正方法, 并通过实验验证了此方法的准确性。实验结果表明, 畸变校正之后相对剩余残差小于0.2%, 可以满足高精度非球面检测加工的要求。
计算全息图 畸变 非球面检测 computer-generated hologram CGH CGH distortion asphere testing
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
空间光调制器(SLM)可以在电驱动等信号控制下, 实时调节振幅、相位、偏振态等信息, 近年来已被尝试用于代替计算全息(CGH)板实现非球面检测。SLM像素尺寸在3.5~20 μm, 远大于CGH板刻蚀分辨率, 使得SLM的相位调制量在像素尺度离散化, 与理想的连续相位存在误差, 带来检测精度的降低。因此, 有必要评估SLM像素尺寸对检测精度的影响, 从而选择合适像素尺寸的SLM。基于菲涅耳衍射原理以及快速傅里叶变换算法, 仿真波面经SLM调制并传播到待测表面的过程, 并探究待测面处生成波面精度与SLM像素尺寸大小之间的关系。对多组波面进行仿真并分析波面误差分布发现, SLM生成补偿波面误差与SLM像素尺寸所能表示的最大频率相关, 检测时需保证SLM像素尺寸所能表示的最大频率大于补偿波面频率最大值。
测量 非球面检测 空间光调制器 计算全息 菲涅耳衍射
1 武汉理工大学 材料科学与工程学院, 湖北 武汉 430070
2 中国科学院 上海光学精密机械研究所 强激光材料重点实验室, 上海 201800
利用三坐标测量仪在光学非球面镜研磨与粗抛阶段进行面形检测时, 测量结果常由于补偿程序不完善而出现像散误差。本文分析了非球面三坐标测量得到的数据, 指出测量结果中出现像散误差是测头半径补偿不准确所致。然后, 提出了一种离线数据处理方法对测量数据进行补偿来消除像散误差。该方法通过计算网格排列的测头中心点行和列方向的切向量得出曲面上每个点的法向矢量; 根据测头半径计算出测头球心到接触点的偏移量, 从而实现三坐标测量仪的三维测头半径补偿。球面样板实验显示这种方法可以将该样板测量中的像散峰谷值(PV)由4.921 9 μm减小到0.065 2 μm, 基本消除了测量结果中的像散误差, 提高了三坐标测量结果的准确度。实验结果验证了提出的三维测头半径补偿程序的有效性。
非球面检测 三坐标测量仪 测头半径补偿 像散补偿 aspheric element testing Three Coordinate Measuring Machine(CMM) compensation for radius of probe astigmatism compensation 光学 精密工程
2016, 24(12): 3012
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室, 江苏 南京 210042
3 中国科学院大学, 北京 100049
近年来, 大口径、大非球面度、快焦比、高次非球面光学元件在天文光学、空间光学和地基空间目标探测与识别等领域得到了越来越广泛的应用。目前对此类光学元件的检测一般采用零位补偿法或消回程误差的非零位检测法。其中消回程误差的非零位补偿法处理过程复杂, 缺乏检测直观性, 且测量精度无法保证, 故在针对一些面形精度要求非常高的镜面时并不适用。以口径为1020 mm、焦比为1/0.5、非球面度为1.8 mm、高次项达6次的凹高次非球面反射镜检测为研究基础, 提出了分阶段设计零位补偿检验光路的新思路, 以满足此类镜面在粗抛、精抛、干涉仪检测等不同研制与检验阶段的需求。最终检测面形精度达到了λ/50。
光学设计 大口径非球面检测 非球面研制 零位补偿器设计 组合检验 激光与光电子学进展
2016, 53(12): 122201
1 浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室， 浙江 杭州 310027
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室， 吉林 长春 130033
光学非球面面形的非零位检测较零位检测而言具有更强的通用性。详细分析了非球面非零位检测中回程误差的产生机理，结合校正方法将其分为可预知回程误差和不可预知回程误差两部分，分析其对最终检测结果的影响。然后介绍了实际检测中常用的回程误差校正方法的原理，通过仿真实验对比各种方法对不同非球面度、不同面形误差大小的被测非球面的校正效果，并结合方法原理和仿真结果分析了不同方法的回程误差校正能力，总结其适用范围。
测量 干涉 非球面检测 非零位 回程误差 校正方法
