大数值孔径宽光谱折反式物镜设计(特邀)

为了满足半导体缺陷检测系统对成像系统高分辨的要求,依据系统的特点和设计指标,设计了一种近紫外-可见光大数值孔径折反式物镜。在近紫外-可见光波段对光学玻璃材料的色散特性进行分析,通过二级光谱理论计算,选择合适的玻璃材料,对光学系统的二级光谱进行了校正。该物镜使用11片球面透镜,结构紧凑。设计出一套光谱范围为360~520 nm、数值孔径为0.9、焦距为5.65 mm、视场大小为0.8 mm、工作距离为0.8 mm的物镜,采用无限远共轭折反式结构。设计结果表明:该物镜的MTF较好,全视场波像差小于0.09λ(λ=632.8 nm),各种几何像差均得到了较好的校正,满足复消色差条件,并且结构简单,具有较长的工作距离,为实际的生产装配和应用提供了便利。

基于PSD评价及伪随机轨迹的单晶碳化硅表面粗糙度研究

随着新能源、特高压需求爆发,以单晶碳化硅为代表的第三代半导体技术近几年得到了飞速发展,大口径单晶碳化硅材料制备已经成为现实,相比于目前已成熟应用的RB-SiC材料,单晶碳化硅不需要通过CVD或PVD改性就可以获得1 nm甚至更优的表面粗糙度,在光学元件领域的应用具有广阔前景,但同时加工难度高是亟待解决的问题。为了解决单晶碳化硅材料在光学加工过程中的粗糙度问题,提出了一种基于PSD评价及熵增理论的伪随机轨迹加工改善粗糙度的方法。相较于传统单一的Ra值评价方法,通过引入PSD曲线丰富了粗糙度评价的维度;利用对熵增理论的分析,从理论上讨论了确定性抛光轨迹和伪随机轨迹对粗糙度尺度下累计误差影响的区别。通过对6 in(1 in=2.54 cm)单晶碳化硅进行多轮抛光实验,结果表明:在相同初始粗糙度情况下,确定性轨迹与伪随机轨迹虽均得到了Ra约1 nm的粗糙度值,但PSD曲线可以明显看出确定性轨迹出现了尖峰,而伪随机轨迹则更为平滑。验证了特定采样区间下的PSD曲线作为粗糙度评价手段的有效性,同时论证了伪随机轨迹相较于确定性轨迹在单晶碳化硅材料抛光上的优势。

基于非理想标准镜的子孔径拼接干涉检测技术研究

在大口径光学镜面的检测中,随着参考镜尺寸的增加,加工精度的制约,重力变形,温度,环境等因素的影响使得参考镜在检测中已经不能作为理想平面镜。文中基于最大似然估计(ML)算法,Zernike多项式拟合对利用非理想平面镜作为参考镜的子孔径拼接检测建立了一套合理的拼接算法和数学模型。并结合工程实例,完成了对2.5 m×3.5 m椭圆形平面镜的模拟拼接实验,拼接前后全孔径面形误差分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为0.022λ与0.001 3λ。全口径相位分布的PV值与RMS值的相对误差分别为2.81%与0.81%。实验结果表明:利用ML拼接算法可以高精度地完成对参考镜为非理想平面的大口径平面镜的拼接检测。

大口径反射镜子孔径拼接自检验精度分析

为了解决大口径反射镜子孔径拼接精度评价的问题,提出了自检验的子孔径拼接精度分析方法,实现了对大口径反射镜拼接精度的分析评价,同时提供了一种拼接精度检测方法。自检验即利用子孔径检测面形对拼接获得的拼接结果进行拼接精度检验。讨论了相应的精度评价指标及计算方法,并结合工程实例,利用准600mm干涉仪实现了对准800mm平面镜的拼接测量。以自检验的评价方式对拼接精度进行了分析,结果表明,拼接结果是准确的,同时验证了以自检验方式评价拼接精度的可靠性与准确性。

采用三角剖分算法的子孔径拼接检测技术

为了解决大口径光学平面镜的子孔径拼接检测问题,基于三角剖分算法与最小二乘拟合算法,建立了一套合理的拼接算法和数学模型,编制了拼接程序,并结合工程实例,利用φ600 mm干涉仪实现了对612 mm×180 mm圆角矩型平面镜的拼接测量。检测中,基于靶标确定子孔径间的相对位置,完成子孔径间的对准,并且基于不同的镜体位置,对拼接检测的重复性进行了多次实验验证。实验结果表明:拼接结果无"拼痕",并且两次基于不同镜体位置计算获取的拼接面形PV与RMS的相对偏差分别为2.07%与0.52%,拼接面形是一致的,验证了检测的可靠性和准确性。

三角机加工大口径离轴抛物面技术

为了实现大口径非球面镜的加工,设计制作了三角机加工中心,该加工中心具有三工位设计。基于该加工中心提出了一套非球面镜加工模型,每个工位只需利用两个转动轴即可实现大口径非球面镜的遍历加工,同时加工工位与检测工位可以互换,节约成本的同时提升加工效率。为了验证加工模型的可行性,结合工程实例,利用该加工中心对一口径为1 450 mm的离轴抛物面Si C反射镜进行了加工,实验结果表明,经过一轮迭代加工后,反射镜面形结果由PV 4.653μm、RMS0.409 7μm收敛到PV 3.585μm、RMS 0.258 1μm,RMS收敛达37%。验证了模型的精度及可行性。

平面镜子孔径加权拼接检测算法(特邀)

为了解决大口径平面反射镜高精度检测问题,建立了一种基于全局优化的子孔径拼接检测数学模型,同时提出了一种拼接因子用于重叠区域取值。基于上述方法,结合工程实例,对一口径为120 mm的平面反射镜完成拼接检测,检测中共规划了四个待测子孔径,为了对比文中所述算法与传统最小二乘拟合拼接算法的拼接性能,分别利用两种算法完成了待测平面镜的面形重构。实验结果表明,两种算法所得拼接结果光滑、连续、无"拼痕",同时分别将两种算法所得拼接结果与全口径检测结果进行了对比分析,从传统拼接算法残差图中可以看到明显的"拼痕",而加权拼接方法得到的拼接结果光滑、连续,同时其残差图的PV与RMS值分别为0.012λ与0.002λ,小于传统算法残差图的PV与RMS值,验证了算法的可靠性与精度。

长条形镜面面形拟合技术研究

为了解决长条形镜面面形拟合中各项不正交,无法在调整中利用像差指导计算机辅助装调的问题,本文建立了一套合理的拟合模型。该模型以矩阵求解正交化Zernike多项式系数为基础,将离散的数据点作为定义域,对已选取的Zernike项进行定义域内正交化计算,并以获得的各正交项为基底,实现对长条形镜面及其他异形光学镜面的正交化多项式拟合求解。进而确定在干涉检测中加工误差与装调误差的分离,为光学镜面的最终面形收敛提供保障。根据本文实验结果,对一口径600 mm×260 mm,PV与RMS值分别为5. 889λ及1. 002λ的长条形光学镜面进行拟合,利用Metropro去像散后,面形未得到收敛,PV与RMS值分别变为7. 448λ及1. 725λ。而采用本文算法处理后,其PV与RMS值分别收敛为4. 666λ及0. 679λ,验证了本文方法对于长条形镜面拟合的正确性。

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RMSλ/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。

玻璃绝缘子裂缝的激光检测方法

玻璃绝缘子的自爆是输变电设备中会经常遇到的问题。针对盘形悬式玻璃绝缘子生产工艺中裂缝产生的原因和检测方法,开展了激光检测玻璃件裂缝方法研究。研究整理了玻璃件典型裂缝的参数和类别,分布的位置分别在玻璃件的A区、B区和C区。通过计算给出了裂缝夹角与折射角度的规律,发现当由玻璃体射向空气或裂缝时入射角大于41°会出现全反射。玻璃绝缘件的弧面是干扰测量准确度的主要因素,文中通过计算给出了最大偏移值为8.9 mm,并总结了其偏移和折射规律。根据激光在玻璃绝缘件中折射规律和计算结果对分布式穿透率测量方式、折射差值测量方式和场测量(散斑拍照)方式进行了对比,认为场测量(散斑拍照)方式是解决玻璃裂缝测量的最佳方法。

基于离轴三反光学系统的高分辨率中阶梯光栅光谱仪

基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪。首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号。然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正。最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400~900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm。

基于迭代梯度算法的子孔径拼接检测技术研究

为了解决粗大调整误差下大口径光学平面镜的子孔径拼接检测问题,基于迭代梯度算法,建立了一套合理的拼接算法和数学模型,同时编制了拼接程序。结合工程实例,利用Φ600mm干涉仪实现了对Φ800mm平面镜的拼接测量。检测中,基于靶标对各子孔径实现对准,拼接所得面形光滑连续无狭缝。实验结果表明,利用迭代梯度算法可以高精度地完成粗大调整误差下大口径平面镜的拼接检测。

计算机再现全息与辅助球面混合补偿检测凸非球面方法研究

大口径凸非球面镜在现代光学系统的应用日渐广泛,尤其在离轴三反光学系统中,它往往作为次镜使用。出于力学特性和热学特性考虑,一般采用不透明的Si C材料来制作此类非球面镜面,而且对于离轴系统,次镜的全口径均参与成像。口径大、加工材料不透明且无中心遮拦,使得传统的检测方法已经无法实现对此类非球面的检测。为解决此问题,提出一种计算机再现全息(CGH)与辅助球面镜混合补偿的凸非球面检测方法,构建了基于CGH辅助功能区域的检测对准方案,并以此方法对一口径为φ120 mm的Si C凸非球面反射镜进行了混合补偿检测,其检测结果与子孔径拼接检测结果在均方根(RMS)值为1/50λ精度下一致,验证了该方法的可行性与正确性。