一种大口径平面镜支撑结构的仿真与实验

为提高600 mm大口径立式平面镜沿光轴旋转90°后的表面面型测量精度,对多孔支撑结构下5种不同材料的平面镜重力变形进行有限元仿真分析,并通过实验测量探究旋转后的静置时间对面型精度的影响等问题。结果表明,该多孔支撑结构下的平面镜表面由重力导致的轴向变形量不超过14 nm,满足精度要求。该多孔结构支撑的平面镜沿光轴旋转90°静置1 h后达到稳定状态,与静置2 h后的面型结果PV值仅相差0.337 nm,RMS值相差0.081 nm,实验探究了静置时间对面型结果的影响。研究发现,在至多去除6%外口径的条件下可以大幅降低平面镜表面面型PV值,PV值降低超过50 nm,由此提出一种制造大口径平面镜时通过设置支撑结构缓冲区以提高面型精度的方法,可以有效提高大口径平面镜的面型精度。

高精度大口径平面镜面形角差法测试探究

研究了一种集高精度自准直仪与五棱镜于一体,采用角差法(角度变化量测试),实现大口径平面镜垂直状态下面形测试的方法.此方法的运用可实现对大口径平面镜面形的直接高精度检测,突破常规'以大测大'的高成本检测方法.本文阐述了测试装置的设计思想,对影响面形轮廓测试精度的因素进行了讨论.大口径平面镜面形的变化可通过其各点法线方向角度的变化量而反映出,采用高精度测试角度变化量的方法可计算获知面形轮廓状态.通过对大口经平面镜条带区域面形轮廓的测试原理分析,计算得出角差法(角度变化量测试)的测量不确定度.同时,由于对测试的高精度要求(纳米级),测试环境(温度、振动、气流扰动)也对测试结果有着不可忽视的影响,通过条带区域轮廓测试实验,对采样方式与环境影响进行了分析,从而得出在一定测试条件下,测量装置与环境对测量精度的影响程度,其测量不确定度可达到次纳米量级以上(扩展不确定度U=15.4～9.0 nm,取置信概率p＝0.99,包含因子κ＝3),基本满足测试需要.

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。

瑞奇-康芒式大口径平面镜面形数据处理方法对比研究

为使瑞奇-康芒法检测结果更为真实地反映出被检平面镜的面形情况,对瑞奇-康芒检测数据处理方法进行研究。针对现有的数据模型,提出利用坐标转换关系法计算平面镜的面形误差。利用仿真验证坐标转换法的有效性并分析此方法的理论计算精度。通过对比实验结果与干涉仪直接检测结果可知,坐标转换法的实际PV检测精度优于1/20λ,RMS检测精度优于1/100λ,达到高精度检测要求。相比影响矩阵法结果,PV精度提高了0.013λ,RMS精度提高了0.003 7λ,证明坐标转换法更适用于瑞奇-康芒法数据处理分析。

基于五棱镜扫描技术测试大口径平面镜的系统设计

根据五棱镜扫描测试技术建立了大口径平面镜面形测试系统。对测试系统结构的设计与组成进行了阐述,分析了在实现大口径轮廓扫描时,主要影响测试精度的因素和影响形式;通过计算给出了五棱镜制造误差与扫描机构导向误差对角度测试的综合影响趋势,得出了轮廓测试过程中法线角度改变量测试误差主要受导轨精度影响的结论。在导轨导向精度设计为俯仰与偏摆角10″、滚动偏角20″时,系统测试光线角度变化量在扫描方向上最大为0.000969694″,可满足测试要求(系统测角精度为0.02″)。通过计算机模拟,进行了多条带区域轮廓图拼接实验,与干涉图比对,验证了该系统的可行性。

基于差分传递函数法的大口径平面镜检测

为了实现大口径平面镜的原位检测,本文基于差分传递函数结合瑞奇康芒检测架构,利用全息检测方法结合瑞奇康芒法,通过光瞳的遮拦编码实现大口径平面镜的面形检测。首先,对基于差分传递函数法的大口径平面镜检测基本原理进行了推导,并将现有的大口径波前与重建波前进行对比。最后,利用变形镜搭建了检测光路。本文方法所得到面形与输入面形相关性不低于70%。本文的研究成果对宇宙“首光”探测以及“一黑两暗三起源”等宇宙学基础命题的研究均有十分重要的意义。

基于反向共轴的大口径平面光学元件面形测量

提出了一种基于反向共轴的大口径平面光学元件面形测量方法。将双位移传感器反向共轴线扫描测量模式和多角度旋转三面互检技术结合,借助直线长导轨有效扩大平面光学元件测量口径,同时测量过程中不需要使用标准平晶,避免引入标准平晶参考面不确定度分量,测量结果直接溯源到激光波长基准。利用该测量方法对3块∅400 mm口径光学平晶进行面形测量,验证了该测量方法的可行性。

大口径平面镜快速瑞奇-康芒测量法研究

瑞奇-康芒法是用小口径干涉仪检测大口径平面镜的主要方法之一。通过分析瑞奇-康芒法中球面参考镜半径、平面镜位置和瑞奇角误差对测量精度的影响,给出了3个参数的选择方法。针对瑞奇-康芒法测量时误差分离导致的测量效率低的问题,提出适用于加工过程的快速瑞奇-康芒测量法,仿真模拟该方法下被测平面镜位置、角度等定位误差对测量结果的影响,并设计实验对比验证。该方法与直测法测量间的最大偏差峰-谷值(PV)为0.0151μm,均方根(RMS)为0.0036μm,能够有效满足加工过程中面形快速测量需求。

环形大口径平面镜圆Zernike多项式拟合精度分析

采用瑞奇-康芒实验装置和利用圆Zernike多项式分别对不同遮拦比环域进行了拟合。结果表明,在遮拦比小于0.4的环域上,用圆Zernike多项式拟合,残差PV和残差RMS值不是很大;在遮拦比大于0.4的环域上,需用环Zernike多项式拟合才能保证一定的拟合精度。

相对角差法重建大口径平面光学元件面形

针对已有的相对角差法面形检测的原理验证装置,提出了一种具有更高稳健性的最小二乘积分面形重建算法。利用相对角差改写了经典最小二乘积分技术的代价函数,避免了积分重建中的测量误差累积的问题,空间复杂度和时间复杂度仍分别为O(N^2)和O(N^3)。仿真结果表明,本文算法的稳健性显著优于Zernike波前重建法与基于样条的最小二乘积分法(SLI);实验结果证明,本文算法可适用于大口径角差法面形检测。

高精度大口径平面镜瑞奇-康芒定量检测的精度影响因素分析

针对前人的数学模型,对瑞奇角、旋转角和系统波像差这几个主要精度影响因素进行了仿真分析。结果表明:当瑞奇角的测量误差控制在0.5°以内时,对测量结果影响很小;由于平面镜的面形误差是连续和旋转对称的,所以旋转角测量误差对测量结果影响很小;当系统波像差系数的测量误差|ΔWn,m|≥0.05λ时会影响拟合精度。此仿真结果为提高大口径平面镜检测精度提供了理论依据。

大口径平面镜局部采样瑞奇-康芒检验

为了提升大F数下瑞奇-康芒检验的面形恢复精度,提出局部采样影响矩阵法,对干涉仪采集到的压缩椭圆图样按各像素点实际入射角大小分别建立影响矩阵,恢复像素点的面形偏差。通过该方法遍历整个平面镜镜面,得到平面镜面形。利用仿真验证了局部采样影响矩阵法的精度并和传统影响矩阵法进行详细对比,结果表明相较传统影响矩阵法,局部采样影响矩阵法在离焦、像散、三级彗差、三级像散、三级球差等因素下的精度提升十分明显,证明局部采样影响矩阵法更适合瑞奇-康芒检验的面形恢复。

大口径标准平面镜主动校正仿真分析

为了让大口径标准平面镜能在多个不同工作状态下均能保持良好面形,采用主动校正的方法对重力引起的镜面支撑变形进行校正。整个支撑系统由主动校正系统和被动支撑系统组成,通过轴向支撑和侧向支撑相结合的被动支撑方式使标准平面镜保持平衡;当工作状态改变时,通过泽尼克拟合建立刚度矩阵,结合实际测得面形与最小二乘法计算校正力,将得到的相应的主动校正力作为第二级加载在轴向的支撑点上,使镜面面形恢复。仿真结果表明,不考虑镜子本身的加工误差,镜面改变45°时,主动支撑可将重力引起的面形误差从初始的RMS=λ/8(λ=632.8 nm)校正到λ/74;镜面改变90°时,主动支撑能将重力引起的面形误差从初始RMS=λ/6校正到λ/70。这种主动支撑方法能降低大口径标准平面镜在不同工作状态下引起的支撑变形,为大口径标准镜在多种工作状态下都能保持良好面形提供了依据。

Φ2 m平面反射镜低频轮廓非接触测量设备研制进展

口径2m的高质量平面反射镜可用于大口径光电设备像质评价和性能检测,但受使用环境影响,平面反射镜的面形精度不易长期保持稳定,因此需要在使用前对其面形精度进行现场、快速校验,而常规的全口径或子孔径干涉检测均难以满足上述需求。由于反射镜面形在制造过程引入的中高频误差已处于稳定状态,环境扰动只引入低频像差,而选择子孔径斜率扫描再重构波面低频轮廓的方法较适于面形精度现场校验。提出双五棱镜配合双测角仪进行子孔径斜率同步差分测量的方法,可改善长测量周期内环境扰动引起的随机误差。并对测量设备光学、机械及控制系统进行设计,提出采用2台S-H传感器代替传统测角仪用于子孔径斜率测量的解决方法。验证试验结果表明,波面重构算法以及仪器测角精度可满足面形测量精度需求,其与ZYGO干涉仪测量结果的互差小于20nm(RMS)。

大口径动态扫描反射镜背部悬浮支撑结构设计

为了消除自重和热应力对大口径平面反射镜面形精度的影响,采用有限元分析方法,对比分析了在-20℃环境温度下采用背部固定约束与背部浮动约束获得的反射镜面形仿真数据,设计了动态扫描反射镜背部悬浮支撑结构以实现浮动约束,搭建了检测平台,并进行了大口径平面反射镜面形检测。结果表明,安装该支撑结构后反射镜的面形峰谷值为0.236λ,平均值为0.049λ。背部悬浮支撑结构实现了浮动约束,释放了大口径平面反射镜因自重和热应力造成的变形,有效保证了面形精度。

子孔径拼接法检验大口径光学镜面精度分析

介绍子孔径拼接检测大口径光学镜面的原理,即用小口径的平面干涉仪检验大口径平面的一部分,通过改变2者相对位置获得覆盖到整个被检验镜面的子孔径检测数据。提出利用最小二乘法对相邻2个子孔径重叠部分的检测数据进行计算来确定实际所有子孔径之间的位置关系,进而得到拼接而成的整体面形信息。并对子孔径拼接成的面型与实际面型的误差进行分析,建立了对子孔径拼接全口径波面恢复精度的评价指标。根据子孔径拼接原理完成了实验,并对多组子孔径数据拼接后的波面恢复精度进行了分析。实验证明,子孔径拼接检测大口径光学元件综合误差小,重复精度高。

基于多点可调支撑Ф300 mm平面重力变形校正研究

在高精度光学元件领域,特别是大口径的平面光学元件,随着对测试精度和口径要求的提高,重力变形成为其不可避免的问题。介绍了立式斐索型干涉仪的系统设计和多点可调支撑方法的变形理论,通过有限元分析(FEM),优化得到了合理的支撑结构。采用液面基准,在300 mm口径的立式斐索型干涉仪上进行了平面的重力变形校正。与三平面法检测结果比较,两者的残差峰谷(PV)值为10.20 nm,均方根(RMS)值为1.56 nm。

用于子孔径拼接干涉系统的机械误差补偿算法

针对拼接干涉检测系统机械定位精度引起的各子孔径间的相对定位误差,提出了含定位误差补偿项的全局最优化拼接算法。介绍了该算法原理,从理论上分析了该算法拟合出的平移和旋转定位系数的精度。结合MetroPro和Matlab软件仿真模拟实验,分析了机械定位误差对拼接检测精度的影响。实验表明:拟合出的平移定位系数精度高于旋转定位系数精度,与理论分析一致;相对于一般算法,该算法对机械误差有较强的免疫力。在搭建的拼接检测装置上检测了口径为150mm的平面镜,结果显示:拼接结果与干涉仪直接检测的全口径相位残差的分布峰谷值(PV)为0.015 30λ,均方根值(RMS)为0.001 570λ,得到的结果十分接近,验证了该算法稳定可靠,能够合理有效地补偿机械精度引起的子孔径定位误差。

大口径光学平面的子孔径拼接检验研究

研究了检测大口径光学平面的子孔径拼接法。通过采用最小二乘法对相邻两个子孔径重叠区域的数据进行分析,获得了子孔径之间的拼接参量,得到了被检验镜面的整体面形信息。编制了拼接检验的计算程序,并完成了原理性实验。采用一台口径为100mm的移相干涉仪检测了两个样品,给出了拼接检测与全口径检测的对比结果。样品的口径分别为100mm和91mm。对比检测结果表明,拼接检测与直接检测两种方法的RMS之差小于5nm。

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。