Scanning Hartmann test method and its application to lens aberration measurement

A scanning Hartmann test method is proposed and its measurement principle is described. The scanning Hartmann test setup is formed by modifying the Hartmann screen of the conventional Hartmann test setup. With the rotation of the scanning Hartmann screen and the improved hole arrangement, the whole information of the lens to be tested in the full aperture can be obtained. The measurement accuracy of the aberration is improved and the local error of the lens can be got. In the method, no change of the Hartmann screen is needed for measuring the lenses of different aperture sizes. Experimental results of aberration measurements of two lenses are given to verify the usefulness of the setup.

带阶梯型谐振腔的Hartmann低频超声雾化喷嘴设计及试验

针对目前雾化栽培领域所用喷嘴无法兼具雾滴粒径细小及大雾化量特性的问题,该文设计了一种带阶梯型谐振腔的流体动力式Hartmann低频超声雾化喷嘴,为了使喷嘴喷雾方向可控,对雾化区域进行了流场主动控制,即在喷雾出口区域设置了圆锥罩,通过数值模拟研究了小尺寸阶梯型谐振腔的振动特性,对其雾化效果进行了试验对比。结果表明:在相同参数条件下,当阶梯型谐振腔第二级阶梯孔与第一级阶梯孔深度比超过2时,其谐振频率达到了传统圆柱型谐振腔谐振频率的1.6~1.7倍;圆锥罩的加入使得腔内流体压力振幅变大,初段起振特性更优;阶梯型谐振腔两级阶梯孔孔径比是影响阶梯腔谐振特性的重要因素,阶梯孔孔径比的改变会使阶梯型谐振腔的谐振模式由"回流模式"转变为"尖声模式"或使谐振现象消失;带阶梯型腔体的低频超声雾化喷嘴比带普通圆柱型腔体喷嘴的雾化效果更好,在0.1 MPa^0.5 MPa的进气压力下,前者比后者雾滴粒径小2~6?m;阶梯型谐振腔式超声雾化喷嘴在加装圆锥罩之后,低压时的雾滴粒径随供气压力变化更大,而在高压时,其雾化效果与没有加装圆锥罩的阶梯型谐振腔式超声雾化喷嘴相比基本一致;索太尔平均粒径SMD(Sauter mean diameter)随Laval管出口与谐振腔之间的距离的变大呈现出先变小后变大的趋势,SMD的变化趋势与腔内声压级SPL的变化趋势基本一致。雾化量为2 L/h下时,阶梯腔式超声雾化喷嘴的最小雾滴粒径为42μm。该研究可为阶梯腔式超声雾化喷嘴在雾化栽培领域的应用提供参考。

Shack-Hartmann波前传感器在光学检验中的应用

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器,以及相应的检测实验结果。在实验室内,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出传感器的测量精度优于λ/50RMS(λ=632.8nm)。在外场利用星光作为光源,对口径1m、焦距11m的望远镜进行了系统波像差检验,测量结果为0.39λ～0.46λRMS之间,并随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为三阶像散。

基于Shack-Hartmann的子孔径拼接波前检验技术

针对传统的地基大口径望远镜自准直干涉检测受器材限制和环境影响而检测困难的问题,提出了基于Shack-Hartmann波前探测器的子孔径拼接波前检测方法。介绍了子孔径拼接检测理论和拼接算法,研究了Shack-Hartmann下实现子孔径上波前精确测量的方法,设计了具有透射孔的光阑实现自准直光路中子孔径毫米级的定位。实验使用32单元的Shack-Hartmann波前探测器和40mm的平面反射镜,实现了口径扩展比1.8的子孔径拼接检测;对比表明均化误差的处理方法优于两两拼接方法,其拼接检测结果与全口径检测结果之差的PV值为0.5波长。实验结果表明,这种技术在大口径望远镜波前自准直检测中有很好的应用前景。

Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面反射镜

在离轴非球面反射镜研磨后期和粗抛光阶段,被测反射镜面形与理想面形存在着较大的偏差,表面反射率较低,采用干涉测量会因局部区域干涉条纹过密或条纹对比度过低,造成普通干涉仪无法进行全口径测量,而普通接触式轮廓仪测量精度此时已经不能满足加工要求。鉴于Shack-Hartmann波前传感器较大的动态范围和较高的测量精度,提出了采用Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面面形,研究了该方法的检测原理并搭建了检测系统,分析了系统误差来源,并制作了用于在轴检测离轴非球面的参考波前,对两个不同加工精度的离轴非球面反射镜进行了测量,并与干涉仪的测量结果进行了对比。对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果是正确可靠的,并且可以弥补轮廓仪测量和干涉仪测量的不足,从而证明了采用Shack-Hartmann波前传感器在轴检测离轴非球面的可行性和正确性。

扫描型哈特曼检测装置研究

在传统哈特曼检验法基础上研制成功一种扫描型哈特曼检测新装置,可对最大口径为300 mm的聚焦镜在全口径范围内进行采样测量。该检测装置由大口径标准平行光管、扫描式哈特曼光阑、被检聚焦镜、CCD摄像机及计算机组成,在水平和垂直两个径向上开有等间距排列且相互错开半个间距的小孔,并且在步进电机的驱动下绕光轴旋转,可对被检聚焦镜进行全口径连续采样。对有效口径为154 mm的斐索平面干涉仪非球面准直物镜的球差及焦斑能量集中度进行了测量,进而由球差计算得到了波像差,并用干涉法对该准直物镜进行了测量。球差的理论值与测量值最大偏差为14.6%;由新装置测量并计算得到的波像差PV值与干涉法测量并计算得到的PV值偏差为11.5%;实测的80%的能量集中在34μm的范围内,而计算得到的80%的能量集中在28μm之内,最后对结果进行了分析并提出了进一步改进的意见。

Φ630石英轻质抛物面反射镜的二维动态哈特曼检验

简要介绍二维动态哈特曼波前探测仪检测波面面形的基本原理、方法及其特点。首次运用该方法对６３０石英轻质抛物面反射镜实现了定量检测，给出了镜面面形测量结果。

靶镜光学质量检测技术的研究

提出了一种利用扫描型哈特曼检测装置检验靶镜光学质量的技术.该装置对传统哈特曼检验装置的光阑进行了改进,通过扫描型哈特曼光阑的旋转扫描,可对被检靶镜全口径范围内连续采样.利用该扫描型哈特曼检测装置对一块口径为270mm的非球面靶镜的能量集中度和波像差进行了检验,其结果与激光数字波面干涉仪的测量结果相吻合,其中能量集中度的相对测量误差为7.7%,波像差的相对测量误差为10.2%,验证了该检测技术的有效性.

湍流特征光学测试对比

在10℃～230℃温差下,对大气相干长度r0分别采用夏克-哈特曼的到达角起伏法、差分像运动法、波面法三种测量法和四象限探测器进行了测试和对比;对折射率结构常量Cn2及闪烁功率谱分别采用夏克-哈特曼和光电倍增管进行对比.实验结果表明:对于r0,在强湍流时四象限探测器比夏克-哈特曼的稳定性明显降低,且对夏克-哈特曼三种方法,差分像运动法可克服设备抖动等问题,但引入了方向上不一致的问题,波面法可有效避免该问题;对于Cn2,夏克-哈特曼比光电倍增管测量更稳定,拟合相关系数高达0.96;对于闪烁功率谱,由于噪音影响,在200℃时夏克-哈特曼比光电倍增管测得的最大频率高15Hz;最后,通过对夏克-哈特曼子孔径的闪烁功率谱分析得出,若同一子孔径入射光强不在CCD响应的线性区间时无法准确测量闪烁功率谱,否则可通过不同子孔径可完成湍流均匀性的测量.这将为湍流池提供最优的测试方法及理论依据.

大口径望远镜波像差的外场检验方法

为在外场环境下对大口径望远镜进行系统波像差的检验,研制了一套具有高探测能力的Shack-Hartmann波前传感器.利用恒星作为光源,对口径1m、焦距11m的大口径望远镜进行了波像差检验实验,测量结果为系统波像差在0.39λ～0.46λRMS之间,且随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为3阶0°像散,与星点检验的结果一致.

一种数学形态学的哈特曼-夏克传感器阈值选取方法

为了提高计算哈特曼-夏克波前传感器的质心探测精度,设计了基于数学形态学的滤波器。此滤波器基于四个有向结构元素形态滤波,设计的每个元素充分考虑了哈特曼-夏克波前传感器探测人眼波前像差时的光斑点大致形态。这个滤波器优化了阈值,经此滤波器处理后,可以保持传感器探测到每个光斑点的形态特征,保留了更多的光斑信息。通过在视网膜细胞显微镜项目的应用其速度和精度均能满足要求。

多电极静电拉伸薄膜反射镜的光学检测

利用研制的Φ300 mm口径多电极薄膜反射镜原理样机,开展了光学检测实验工作。利用高斯光学原理对薄膜反射镜的基本光学参数进行了检测,获得了随电压变化的薄膜反射镜曲率半径和最大变形值曲线,趋势与理论计算结果一致。对薄膜反射镜的面形特性和面形检测方法进行了分析,采用激光干涉仪测试了无电压时中心区域的平面面形,RMS值为1.03λ(λ=632.8nm)。为检验薄膜反射镜的曲面面形,搭建了Hartmann光栏法测试光路并结合Zernike多项式拟合处理方法,对使用非均布电压优化前后的曲面的低频面形进行了测试,面形误差RMS值从24.1μm减小为14.7μm,证明相对于单电极方案,多电极非均压对静电拉伸薄膜反射镜的面形有明显的优化作用。本文使用的检测方法和结论可为相关领域的研究提供参考。

多用途、模块化哈特曼波前传感器的研制

分析了哈特曼传感器的主要设计指标,介绍了设计研制的一种多用途、模块化哈特曼传感器,通过将传感器的主要部件,包括光源、准直镜、分光棱镜、缩束光路、微透镜阵列及相机等进行模块化设计,根据不同需求,对各模块增减或更换,实现了一套传感器多种用途的应用。并用该传感器进行了系统波像差及光学元件面形检测实验,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出该传感器测量精度λ/50 RMS。

基于哈特曼传感器激光波面测试方法研究

激光通信中主要存在的问题为激光在传输过程中受大气环境影响严重,产生波面畸变,影响激光的传输质量,从而引起激光所携带的信息失真。以哈特曼传感器为核心研制一个操作简便、结构紧凑的波面测试系统,该系统可有效地检测激光传输后及传输过程中产生的波像差。通过对所要求的技术指标进行分析,合理地选择了满足要求的哈特曼波面传感器及微透镜阵列,根据微透镜阵列的口径对准直光学系统进行了设计,编制了测试软件界面,给出了波面测试实验结果,最终满足测试指标要求。

利用导流板降低流场对光传输影响的试验研究

在一座小型跨超声速风洞上采用夏克-哈特曼波前传感器进行了Ma=3试验段流场对光传输特性影响的试验研究。空风洞流场的测试结果表明,由于试验段壁面湍流边界层中气流脉动与流场密度变化的影响,光波前会发生畸变。为了降低湍流边界层流场对光传输的影响,在风洞试验段单侧壁板上安装导流板进行了试验。测试数据表明,光波前畸变量的PV均值和RMS均值分别由3.5λ和0.73λ降低到了1.09λ和0.22λ,而且光波前畸变量的波动幅度也大为降低。初步研究结果说明,采用加装导流板等措施可以显著降低风洞流场对光传输的影响,有利于提高风洞试验时流场显示与测量结果的可靠性和有效性。

自基准哈特曼波前测量装置的研制

采用自基准哈特曼径向斜率测量原理,设计了旋转加摩擦线性移动扫描机构,对被测波前进行连续极坐标扫描采样;用CCD相机采集光斑图像,经波面径向斜率计算和泽尼克径向斜率多项式最小二乘拟合,求出被测波面的泽尼克系数和波前畸变值。与干涉仪测量结果进行了比较,所以研制的波前测量装置可满足大口径光学系统的像质测量。

径向哈特曼动态测量控制

径向哈特曼像质检测系统(RHTS)是一种新型的大口径光学检测系统,在室内不用大口径标准平面镜就可以实现光学系统的检测。目前,RHTS存在测量时间长、图像采集数据量大、以及在测量过程中,温度、噪声等周围环境的不稳定因素对系统的测量结果影响严重等问题。在测量大口径光学系统的过程中,基于对该系统控制流程的分析,本文提出了动态测量控制方案,设计出满足该动态测量所需要的控制电路,并采用新的数据采集处理方法,实现了径向哈特曼的快速动态测量,减少了系统测量时间。

纳米级针孔矢量衍射波前误差分析

应用哈特曼-夏克(H-S)波前检测仪检测大数值孔径(NA)透镜时,需要采用纳米级针孔产生参考球面波前对H-S传感器进行标定。为了制作出满足要求的高质量针孔,本文对影响参考波前质量的各种要素进行了仿真计算和分析,以获得最优针孔加工参数。基于矢量衍射理论,在会聚高斯光束照射下,计算了针孔厚度和直径大小对衍射波前误差的影响,衍射波前中的像差成份、能量透过率、强度均匀性、针孔加工误差及光束相对针孔中心发生平移、离焦、倾斜时衍射波前误差的变化。分析计算显示,在NA为0.6时,为了使相对于理想球面波的波峰波谷值(P-V)偏差不大于0.005λ(λ=193nm),在实际针孔的加工制作中,应选取材料铬,并取厚度200nm,直径180nm为适宜。

基于Zernike多项式的逆哈特曼面形检测系统结构几何误差校正

光学偏折术为光学曲面提供了一种非接触式的高精度全孔径面形检测方式。在基于逆哈特曼检测系统的条纹投影偏折术中,系统结构参数的标定精度会极大地影响最终面形检测精度,尤其是对于自由曲面的检测。通过细化分析结构几何误差因素来源,建立各结构几何误差因素与波前像差的对应关系,并提出了一种通用的基于Zernike多项式的高精度系统结构几何误差校正方法。实验结果表明,利用所提出的结构几何误差校正方法可实现纳米量级面形检测精度。同时,所提出的校正方法可有效消除检测系统结构参数标定误差,继而可作为各种曲面、尤其是复杂自由曲面高精度检测中系统结构几何误差的通用性校正方法。

便携式粉尘爆炸实验演示装置的研发

随着粉体工业的发展，粉尘爆炸的危险性日益突出。对于粉尘爆炸的认识及相关研究在中国起步较晚，相应的用于安全教学及培训的实验器材也比较缺乏。笔者提出了研发便携式粉尘爆炸实验演示装置，该装置采用传统的Hartmann管结构，用高强度镍铬合金钢替代原始的有机玻璃制造管体，以承受爆炸产生的最大压力；管体上、下两部分均采用旋入式结构提高装置的便携性；端盖上设置压力传感器和泄爆膜片连接口。既可以测试爆炸压力信号，又可观测粉尘爆炸的声光效果；利用单片微机系统控制点火延时时间和喷粉时序，使操作简便、精确、可靠、安全；通过调整粉尘浓度和喷粉压力，实现最大爆炸压力和爆炸极限的测试，最大爆炸压力数据经计算机处理后利用数码管显示。该装置具有携带方便，操作简单，爆炸显示效果好，性价比高等特点，可随时随地进行粉尘爆炸测试和教学演示实验。