环形子孔径拼接干涉检测非球面的数学模型和仿真研究

利用环形子孔径拼接干涉技术可以不需要补偿器、CGH等辅助元件就能够高分辨、低成本、高效地实现对大口径、大相对孔径非球面的检测。介绍了该技术的基本原理,并基于最小二乘法和Zernike多项式拟合建立了合理的数学模型,同时对其进行了计算机模拟实验,拼接前后全孔径相位分布残差的PV值和RMS值分别为0.0079λ和0.0027λ,说明该拼接模型和算法是准确可行的,从而提供了除零位补偿外又一种定量测试非球面尤其是大口径非球面的途径。

用非零位补偿法检测大口径非球面反射镜

研究了利用圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的方法,以实现非零位补偿法对大口径非球面的测量。分析和研究了该技术的基本原理,并基于齐次坐标变换和最小二乘拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型;分别开发了圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的算法软件;设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置,并分别利用圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接实现了对一口径为350 mm的双曲面的检测。对待测非球面进行了零位补偿检测实验,结果显示,圆形子孔径拼接与全口径补偿测量结果的PV值和RMS值的偏差分别为0.031λ和0.004λ;环形子孔径拼接与全口径补偿测量结果的PV值和RMS值的偏差分别为0.028λ和0.006λ;3种方法测量所得的面形分布都是一致的。所提出的方法提供了除零位补偿检测外的另一种定量测试大口径非球面的手段。

以环形子孔径法检测大口径非球面主镜的研究进展

环形子孔径法是一种无需辅助元件就能实现对大口径、大相对口径非球面检测的“柔性”测试技术。介绍了该技术的工作原理,对两种分别基于测量相位值和Zernike多项式系数的拼接算法进行了仿真分析,并进行了初步的原理性实验验证。结果表明该技术是切实可行的,具有检测大口径非球面镜的潜能。最后,在对现有研究结果综合分析的基础上,提出了应用该技术检测m量级非球面主镜的实验方案。

基于前视钻孔摄像提取全景图像的方法

依据前视钻孔窥视仪在地质勘探中的相关数据,提出一种将前视图像进行数字图像处理得到对应全景图像的方法,将钻孔孔壁全景范围内的三维柱面空间投影到二维平面.首先根据图像特征确定图像的圆心并划定半径,然后利用极坐标转换结合插值算法,得到矩形平面展开图,再利用图像灰度特征相似度准则和滤波技术进行图像匹配拼接,得到满足定量分析要求的全景图.

使用环形子孔径拼接检测大口径非球面镜

针对高精度大口径非球面镜通常存在定量检验方法(补偿器法、全息法、自准直法)所需要的辅助元件制造困难、成本高这两个主要难点,利用不同曲率半径的参考球面波前来匹配被测非球面表面不同的环带区域,使它们之间的偏离量减小到在小口径干涉仪的测量范围内,每次测量仅是被测表面的一部分,通过算法"拼接"可得到全孔径的面形信息。给出了其拼接数学模型、参量求解方法及其精度评定判据。仿真分析表明,该技术是切实可行的,算法具有较高的拼接精度。该方法无需辅助光学元件就可实现对大口径、大相对口径非球面的直接测量,且具有很宽的适用范围。

高陡度保形光学非球面环形子孔径检测方法

环形子孔径拼接技术检测大口径、高陡度光学非球面具有低成本、高效率的特点。提出一种基于最小二乘法和泽尼克多项式拟合的环形子孔径拼接方法检测高陡度光学非球面。研究了环形子孔径拼接算法的基本原理,对环形子孔径的划分方式进行数学公式推导及参数运算,建立被测非球面的有效数学模型。全口径的拼接结果与原始波面基本一致,二者PV和RMS差值分别为0.015 1λ、0.004 7λ(λ为632.8 nm),残差的PV和RMS值为0.043 5λ、0.005 2λ,验证该算法的有效性和准确性。

环形子孔径拼接算法的精度影响因素分析

优化的拼接算法是环形子孔径扫描测量大口径非球面光学元件的关键问题。针对一种基于离散相位值的环形子孔径拼接算法,从精度评定判据入手,对随机噪声、高阶噪声、重叠区宽度及子孔径数目这几个主要影响因素进行了数值仿真分析。结果表明,该算法对高阶噪声和随机噪声均不灵敏,高阶噪声的影响略大于随机噪声的影响;对口径和相对口径较大的非球面,相邻子孔径间重叠系数应大于 0.15,对于非球面度不大的非球面,重叠系数可大于 0.25, 能以较高精度求得拼接参量。

环形子孔径测试的迭代拼接算法及其实验验证

在子孔径拼接和定位算法的基础上研究了环形子孔径迭代拼接算法。该算法可通过精确找出重叠点对和寻找最优位形两个步骤来简化。研究了该算法在环形子孔径拼接测量中出现的如何确定重叠点的问题,并详细介绍了该算法的步骤。最后对160 mm口径的抛物面进行了拼接测量实验,拼接结果的PV值为0.186λ,RMS值为0.019λ,与自准直全口径测量结果基本一致。结果表明,环形子孔径的迭代拼接算法能够满足非球面镜的高精度测量。

环形子孔径拼接检测中机械误差的分离

为减少环形子孔径拼接干涉检测中机械误差对检测结果造成的影响,分析环形子孔径拼接过程中机械误差作用分量的表现形式,提出了分离机械误差的全局优化的环形子孔径拼接方法。分析根据波像差理论建立的机械误差分离数学模型,然后将其应用于避免误差传递和累积的全局优化的拼接方法中,并提出利用光线追迹的方法在拼接之前除去理想非球面波前与参考球面波前的差别。应用分离机械误差的拼接方法对口径为75mm、顶点曲率半径为100mm的抛物面面形进行检测,得到的面形峰谷值误差为0.05λ,均方根值误差为0.003λ,验证了该拼接方法可有效分离环形子孔径拼接中的机械误差。

环形子孔径拼接检测的中心偏移误差补偿

为了减小非球面环形子孔径拼接测量时的中心偏移误差,根据检测原理及几何关系,分析了中心偏移误差在面形测量中的作用机理,推导了中心偏移误差模型,并在此基础上提出了一种基于二维像素矩阵的中心偏移误差补偿方法.该方法可以有效地得到初始面形测量数据的中心偏移量,在拼接之前减小由中心偏移误差引起的波前偏差的剔除误差,同时减小各环形子孔径中心之间的偏差.利用Zygo干涉仪进行了非球面环形子孔径拼接的中心偏移误差补偿实验,与零位检测结果相比,峰谷值残差为-0.015λ,均方根残差为0.003λ,表明该补偿方法大大减小了面形测量误差,提高了环形子孔径拼接的测量精度.

子孔径拼接检测非球面的初步研究

使用子孔径拼接技术可以无需补偿器、大口径的辅助镜、全息图等辅助元件实现对大口径、大偏离量、高陡度非球面甚至离轴非球面的检验,而且可以同时获得中高频的相位信息,大大地提高了测量精度,降低了成本。在总结了常用检测非球面方法优缺点的基础上提出了利用圆形子孔径、环形子孔径检测非球面的基本原理,并对其步骤的实现、数学模型的建立和拼接算法的开发进行了分析和研究。结果表明,子孔径拼接检测技术可以作为补偿检验以外的另一种定量测试非球面的手段,可以和其它检测方法相互验证,从而确保检测的准确性和可靠性。

基于环形子孔径拼接法检测非球面研究

介绍了基于点衍射干涉仪的环形子孔径拼接检测非球面的理论和方法,分析了其基本原理,相对传统非球面检测方法,这种方法可以有效避免高精度补偿器件的使用,它通过不同曲率半径的球面波前来匹配被测非球面的不同同心环带区域,然后通过拼接算法重构整个非球面表面。在对一非球面的仿真测试中,测量的PV值为λ/131,RMS值为λ/830(工作波长为632.8nm),试验表明:该算法是切实可行的,具有较高的精度。

利用环形子孔径拼接法检测非球面反射镜

为解决高精度检测非球面反射镜的难题,提出利用Zygo干涉仪完成非球面环形子孔径检测。通过移动待测非球面,使得由干涉仪产生的参考球面波,以不同的曲率半径匹配待测非球面的各个环带区域,分别测试每个环带,进而完成对整个非球面的拼接检测。以双曲面反射镜为例进行拼接检测,并搭建辅助光路,利用无像差点法对拼接结果进行验证。验证结果表明:该方法测量误差小于1/20λ(λ=632.8nm)。

非球面非零位环形子孔径拼接干涉检测技术

提出了一种新型的非零位环形子孔径拼接干涉检测技术(NASSI)用以检测深度非球面面形误差。该方法结合了传统非零位干涉检测法与环形子孔径拼接法,采用部分零位镜替代了标准环形子孔径拼接干涉仪中的透射球面镜,产生非球面波前用以匹配被测面不同子孔径区域。该非球面波前比球面波前更加接近被测面的名义面形,使所需的子孔径数目大大减少。一方面增大了环带宽度和重叠区,提高了拼接精度;另一方面减少了各种误差累积次数。同时,配合基于系统建模的理论波前方法分别校正各个子孔径的回程误差,进一步提高了检测精度。对非球面度为25μm的高次非球面的计算机仿真检测结果表明该方法具有很高的理论精度。针对口径101mm的抛物面进行了实验检测,多次实验结果均与ZygoR○VerifireTMAsphere干涉仪检测结果一致,峰谷(PV)值误差优于λ/20,均方根(RMS)值误差优于λ/100,表明了NASSI方法的高精度与高重复性。

环形子孔径拼接检测非球面中的数据处理和标定

利用环形子孔径拼接法,无需零位补偿就能够实现对大口径非球面的测量。但是用干涉仪直接测得的各子孔径的相位数据中包含非共光路误差,同时必须把各子孔径的CCD像素坐标统一归化到镜面上,才能够实现全口径的拼接。提出了一种用干涉仪MetroPro软件中的Fiducial功能模块标定坐标投影畸变的新方法,同时利用Zemax软件模拟非共光路误差,并利用编制的相位拟合软件对该误差进行Zernike多项式拟合,从而很好地实现了坐标统一,并使非共路误差从相位分布中剔出。结合实例对一口径为350mm的非球面进行了拼接实验,并将拼接结果与零位补偿检测结果相对比,结果吻合,其PV值和RMS值的偏差分别为0.031l和0.005l(l=0.6328μm)。