采用五棱镜扫描法检测大口径平面镜的面形

为了提高大口径平面镜面形检测的精度和效率,提出了一种新的五棱镜扫描法。该方法采用径向扫描的方式,使用一个扫描的五棱镜和一台自准直仪来测量表面倾斜角的差值,然后将被测平面镜的面形表示为Zernike多项式的线性组合,再利用表面倾斜角的差值建立方程组,最后采用最小二乘法计算得到被测平面镜的面形。在检测过程中,该方法还可以对五棱镜在扫描过程中的倾斜变化量进行自动监视和调整,减小了检测误差。误差分析表明,该方法的面形检测精度为7.6nmrms(均方根误差)。采用该方法对一块1.5m口径的平面镜进行了面形检测,并与Ritchey-Common法的检测结果进行了对比,两种方法面形结果的差异为7.1nmrms,小于五棱镜扫描法的面形检测精度。证明了利用该五棱镜扫描法检测大口径平面镜面形的正确性。

五棱镜扫描技术检测大口径平面镜的误差分析

五棱镜扫描检测具有结构简单、检测周期短等优点,可以实现大口径平面镜低阶像差的高精度检测,是指导大口径平面镜光学加工过程的一种有效途径。为使大口径平面镜检测系统中的五棱镜扫描技术更加完善,通过理论分析和计算模拟,对五棱镜检测系统中的主要误差源,包括五棱镜制造误差、温度梯度的影响、元件位置误差、光束定位误差、自准直仪测量误差等进行研究,形成了比较完善的误差分析的数理结果。计算结果表明,在当前实验室技术条件下,五棱镜扫描检测系统在单个测量点处的测量不确定度达到230 nrad,其中影响五棱镜检测系统测量精度的主要因素为自准直仪的测量精度与温度的影响。研究结果给出了工程实际中提高五棱镜扫描系统检测精度与减小测量误差的注意事项,并可用于指导系统设计时的误差分析及精度分配。

基于五棱镜扫描法的大口径准直仪波前检测

光轴一致性是多光电传感器武器系统正常运行的基本保证，为了保证光轴一致性的测试精度，必须严格控制大口径红外准直仪出射波前的准直性。采用五棱镜扫描法将大口径红外准直仪的出射波前分剖成若干个子波前，记录每个子波前在CCD上所成光斑质心的相对位置，计算得到各个子波前的法线方向以重构被测波前，从而实现对出射波前准直性的检测。实验测量了300mm口径的红外准直仪的出射波前，该方法成本低、精度高，特别适用于大口径红外波前的准直性检测。

差分五棱镜扫描法在波前检测中的应用

为了实现高精度大口径平行光管波前检测,评价平行光管出射波前质量,提出了采用差分五棱镜扫描波前检测方法检测平行光管。该方法为五棱镜扫描法的优化方法,通过测量波前斜率的改变得到波前曲率的信息来重构波前,从而消除由于五棱镜扫描法波前检测中质心标定不准确而引入的倾斜和离焦的误差量。通过搭建差分五棱镜扫描法波前检测系统验证了此方法的可行性,并给出差分五棱镜扫描法误差分析说明此方法可靠性。误差分析表明,该方法检测精度可以达到10.54 nm;实验结果表明,该方法相比于五棱镜扫描法分别在波面峰谷值(PV)和均方根值(RMS)的重复性精度上提高了74.41%和125.81%。该方法基本满足平行光管波前检测精度高、稳定性好的要求,可以客观准确地评价平行光管出射波前质量。

五棱镜扫描法检测大口径平行光管光束平行性

基于传统的五棱镜扫描法和图像处理法设计了一台通用检测装置,该装置可以快速准确地检测口径1m以下的平行光管出射光平行性。详细分析了五棱镜姿态对装置测角精度的影响,实测了实验室Φ1m焦距30m的平行光管光束平行性,并根据测量结果进行了焦面调节,最终平行光管离焦量控制在4mm以内,装置测角精度优于1″。

五棱镜扫描法检测大口径近红外干涉仪准直波前

为了保证大口径近红外干涉仪的测试精度,必须严格控制其出射波前的准直性。采用五棱镜扫描系统将干涉仪的出射波前分割成若干个子波前,记录每个子波前在CCD上所成光斑质心的相对位置,计算得到各个子波前的法线方向以重构被测波前,从而实现对出射波前准直性的检测。实验测量了210 mm口径的近红外干涉仪准直物镜水平方向上的出射波前,计算重构了被测波前。分析了实验系统误差对于测试结果的影响。该方法成本低、精度高,特别适用于大口径近红外波前的准直性检测。

五棱镜扫描测量非球面二次系数方法研究

提出了利用双五棱镜扫描求解大口径非球面二次系数的方法。该方法采用一束平行光通过五棱镜扫描大口径非球面，通过非球面的反射光将聚焦在非球面的光轴附近，通过测量被测非球面焦平面上光斑质心偏移光轴的轨迹求解二次系数。建立了光斑质心偏移轨迹和二次系数关系的数学模型，并分离调整误差如离焦和倾斜。在上述算法的基础上对五棱镜扫描法求二次系数进行了误差源分解，在误差容限范围内通过分离调整误差和去除非相关像差的影响得到了较高的二次系数测量精度。

大口径非圆形光学平面的五棱镜扫描检测技术研究

为了解决非圆形大口径光学平面镜加工过程中的高精度检测问题,针对五棱镜扫描技术,使用一种基于多项式内积以及cholesky分解的非递归方法进行数据处理,同时编写了检测拟合程序,并结合工程实例,对30m望远镜(TMT),thirty meter telescope)项目的三镜(2.5m×3.5m椭圆形平面镜)进行了模拟检测的Monte-Carlo分析。分析结果表明,五棱镜扫描系统对TMT三镜低阶像差的检测精度可以达到30.6nm 5 rms,对power项、astigmatism项的检测精度分别达到9.6nm rms及13.7nmrms,能够完成大口径非圆形光学平面镜低像差的高精度检测。

五角棱镜扫描系统中调整误差及制造角差的影响分析

为了精确测量光学表面的表面斜率,从而实现光学表面面形的高精度测量,全面分析了五角棱镜扫描系统中的调整误差及五角棱镜的制造角差对测量光束的指向精度和被测面表面斜率测量精度的影响。根据旋转变换矩阵和光线矢量追迹理论,运用MATLAB编写了精确计算测量光束指向误差和测角仪测量值的程序,通过对各误差组合的计算结果进行二维二次多项式拟合,推导出在一定角度范围内,用于计算指向误差和测角仪测量值的二阶近似公式。分析结果表明,测角仪的俯仰角和五角棱镜的制造角差对沿扫描方向的指向误差和测角仪垂直方向的测量值的影响是常量,五角棱镜在扫描过程中的偏摆角和滚动角与其成二次函数关系;五角棱镜的偏摆角和滚动角、测角仪的偏摆角与垂直扫描方向的指向误差和测角仪水平方向的测量值均成线性关系。当导轨的滚动角为10″、偏摆角为10″,系统的各项调整误差为±3″时,沿扫描方向的最大测角误差为0.0010666″。

多棱镜分光系统的多光束光轴平行度校准

闪电场景模拟系统中需要不同强度分布的光轴平行的多路光束,多棱镜分光系统能够实现平行光束增宽和强度分布调制。为获取彼此平行的多路光束,采用五棱镜扫描法完成等间隔分布的四棱镜分光系统的多光束光轴平行度检测,通过CCD采集返回的与特定光轴位置信息有关的光点光强分布,并编制相关的软件计算质心偏差,为分光棱镜的定位装校提供直观准确的反馈信息,装校装置具有简单方便的特点。装校后的四棱镜分光系统在x、y、z 3个方向上的光轴匹配精度分别小于3′、4′和4.5′,4束平行光的光强之比约为8∶4∶2∶1。进一步提高CCD分辨率和增大成像物镜L的焦距后,光轴的匹配精度可以达到秒量级。

基于非均匀采样的五棱镜阵列扫描测量大口径准直波前

五棱镜扫描法通过沿扫描方向连续采集子孔径光束会聚点的坐标,由斜率反演波前分布,是检测大口径准直波前的常用方法。在传统的一维五棱镜扫描法的基础上,提出添加多个五棱镜,形成一组并联的五棱镜和一组串联的五棱镜,实现了一种基于非均匀采样的五棱镜阵列扫描测量大口径准直波前三维分布的方法。该方法通过三个平行于扫描方向的并联五棱镜同时测量准直波前X方向的斜率,三个垂直于扫描方向的串联五棱镜同时测量准直波前Y方向的斜率,采用Zernike多项式中4~11项的导函数拟合测量得到的斜率,继而获得用Zernike多项式表征的准直波前三维分布。该方法只需要一次扫描测量,就能同时获得待测波前三条线上的斜率,避免了传统方法测量全口径准直波前时需要在X、Y方向进行的多次扫描,优化了扫描机构,缩短了扫描检测时间,实现了全口径准直波前的快速检测。通过仿真验证了使用待测波前三条线上斜率复原待测波前的可行性与准确性。应用该方法对1 m口径准直波前进行了检测,并与干涉法检测结果进行了对比,两种方法得到的准直波前数值与分布形式基本一致,证明了该方法的可行性。

超大口径平面反射镜的光学检测(特邀)

在简要总结了各种检测大口径反射镜难点的基础上,为了实现30 m望远镜(TMT)超大口径第三反射镜的高精度检测,提出了一种融合五棱镜扫描技术和子孔径拼接测试技术的新方法。大口径反射镜分阶段依次进行了五棱镜扫描测试和子孔径拼接检测,对该技术的基本原理和基础理论进行了分析和研究,制定了检测30 m望远镜第三反射镜(口径为3.5 m×2.5 m)的方案,对其测试流程、五棱镜设计、五棱镜扫描像差拟合、拼接最优化算法等进行了详细分析,并对30 m望远镜第三反射镜的原理镜进行了实验验证,其最终拼接检测面形的均方根值(RMS)和斜率均方根值(slopeRMS)分别为28.676 nm和0.97μrad。