利用曲面计算全息图进行非球面检测

研究了利用曲面计算全息图进行非球面检测。分析了曲面计算全息图的衍射特性,给出了曲面计算全息图与传统检测方法相结合检测凹非球面和凸非球面的原理及特点,并进行了具体设计。利用激光直接写入设备,在口径为110mm、曲率半径为504mm的曲面基底上制作出了计算全息图,并对金刚石车床车削的凸面非球面进行了检测。利用两步测量法解决了凸非球面的中心部位难以检测的难题,同时利用旋转相减法消除了调节误差,非球面的面形精度为234nm(P V),与金刚石车床的精度相符。

用于非球面检测的球面计算全息图特性分析

通过对凸非球面检测过程中各部分元件对波面影响情况的分析,导出了球面计算全息图各衍射级次空间频率和滤波光阑最小孔径的计算公式, 证明了用球面计算全息图检测凸非球面可以减小计算全息图的特征尺寸,降低计算全息图的制作精度。根据导出公式选择合适的计算全息图的位相函数和滤波光阑孔径,以充分滤掉不需要的级次,实现凸非球面的全孔径检测。具体设计实例与实验结果表明,当选择直径为0.2mm的光阑和线宽在40靘到800靘之间变化的计算全息图时,实现了对孔径110mm, 球面半径500mm, 非球面系数为1的凸非球面镜的全孔径检测,这与分析结果完全吻合。

基于相移电子莫尔条纹的深度非球面检测(英文)

通过相移技术检测深度非球面波前时 ,CCD相机和计算机分辨率受到Nyguist频率的限制。基于相互平行相移莫尔条纹干涉技术 ,我们提出一种新颖有效的检测技术。相互平行的相移电子莫尔条纹是由计算机产生三幅光栅作为参考波前 ,分别和输入被检干涉图相叠加 ,并通过低通滤波器滤波滤掉高频而得到的。最后 ,由三步相移算法 ,我们得出非球面的面形分布。

非球面检测中最佳入射球面波和最佳参考球面波的确定

为了能够对非球面光学元件面型进行高精度的干涉检测,提出了一种确定最佳入射球面波和最佳参考球面波的新方法。该方法通过计算分析入射球面波与非球面反射波干涉条纹密度,确定最佳入射球面波的波源位置;通过计算分析在干涉图记录平面CCD上干涉条纹的密度,确定非球面检测时参考球面波波源的最佳位置。应用该理论与方法,不仅可明确非球面检测时CCD等光路元件选型的具体策略,而且可用于指导非球面检测调试过程,并能够通过对干涉图的深入分析,获得更多被测非球面的信息。

大偏离度非球面检测畸变校正方法

在高数值孔径(NA)投影光刻物镜中,随着数值孔径的增加,非球面的偏离度越来越大。对这种大偏离度非球面进行亚纳米量级的检测,一直是光学检测的一大难题。本文首先对一偏离度超过500μm的偶次高次非球面进行了计算全息图(Computer-Generated Hologram,CGH)设计,设计出了满足高精度面形检测和刻蚀加工要求的CGH。然后,针对此设计方案,定量分析了CGH的成像畸变及畸变对像差分析的影响。分析结果表明,不同径向位置的成像倍率偏差(畸变)最大达到了2.7∶1,并且由于畸变的存在,低阶像差衍生出了明显的高阶像差。最后,针对用CGH检测大偏离度非球面时出现的成像畸变,提出了采用光线追迹与最小二乘法相结合的成像畸变的校正方法,并通过实验验证了此方法的准确性。实验结果表明,畸变校正之后相对剩余残差小于0.2%,可以满足高精度非球面检测加工的要求。

高精度球面检测中调整误差的精确校正

针对高精度球面检测中球面的调整误差影响,分别研究了波前离焦和倾斜所引入的Zernike像差项,并以此为基础,提出了基于Zernike系数的高精度球面调整误差校正方法.利用Zygo干涉仪对大数值孔径的待测球面进行了检测,实验中对待测球面同时引入波前离焦和倾斜误差,再分别运用所提出的校正方法和传统的消倾斜离焦校正方法得到波面数据并进行对比,进而验证了所提出的校正方法的可行性.实验结果表明,利用该方法可有效地校正大数值孔径球面存在调整误差时所引入的球面像差,并且实验中的校正精度达到了0.002λ(λ为检测光波长).提出的基于Zernike系数的球面调整误差校正方法可降低对于调节机构的精度以及检测人员的经验要求,在高精度球面检测中具有非常高的实际应用价值.

非球面检测中衍射光学补偿器的校准定位研究

在非球面检测中,为了消除衍射光学补偿器的位置偏差.在补偿器的外围设计、制作了位相型反射式菲涅耳波带板作为衍射光学校准器.利用微细加工手段,将补偿器和校准器整体集成在同一片基上.通过位相型反射式菲涅耳波带板的自校准功能,使其衍射光波与参考光波干涉,形成校准干涉条纹.测量时,调节校准干涉条纹成为最简单的形式,即可校正补偿器的离焦、偏心和倾斜误差,实现位置的精确校准.实验中,得到了近似零校准干涉条纹,有效地消除了补偿器的装调误差对测量的影响.

一种离轴计算全息图在凹非球面检测中的应用

为了精确检测大口径非球面面型质量,将CGH作为补偿器应用于凹非球面的离轴全息检测系统中。根据计算全息图的离轴全息检测系统检测凹非球面的基本原理,分析了离轴CGH的计算、制作过程,实现了对口径为150 mm,近轴半径为1 499.7 mm,非球面系数为—1的凹非球面镜的检测。实验结果与轮廓仪检测结果吻合得很好。

非球面检测中偏心光束对焦系统设计

针对常规非球面检测技术存在的问题,特别是测量高精度工件表面具有一定的局限性,提出一种非接触式测量技术,即自动对焦测量技术。自行设计了一套偏心光束对焦系统。光路采用激光作为光源,一维位置敏感器件PSD作为光电探测器。激光、柱面平凸透镜和反射镜构成偏心光束对焦光路。电路分为PSD信号处理电路和电动机驱动电路,具有电压放大、消除地面干扰和滤波等作用。

CGH在大口径凸非球面检测中的应用

为了解决当大口径的凸非球面使用特殊材料(如采用碳化硅)时,无法使用传统的检测方法———背部检验的矛盾,研究了使用计算全息法(CGH)来检测大口径凸非球面的原理和方法,并对如何提高计算全息效率进行了分析计算.

小口径非球面检测的方法

在分析各种传统检测方法的基础上,研究了小口径非球面的检测方法,给出了设计实例,实现了非球面曲面的光学检测,满足了非球面曲面在工程中的应用.

消除参考光不同轴对非球面检测影响的研究

非球面与球面相比具有更好的光学性质,应用越来越广泛,但一直受到光学加工和检测技术的限制。用计算全息的方法对非球面进行干涉检测,是目前最成功和最重要的检测方法之一。但在实际检测中会遇到光路调整困难的问题,其中由于光路调整误差,导致由计算全息图(CGH)重现的理想非球面波面与实际待检测非球面波面不同轴是经常遇到的,限制了该检测方法的使用和推广。文章针对这个问题,研究了在光路调节的过程中存在一定离轴的情况下,通过软件对离轴误差进行修正,模拟计算和实验检测证明该方法可以取得很好的修正效果,大大降低了光路调整的难度,有利于该检测方法的推广。

同步环带子孔径干涉非球面检测方法

提出一种可用于非球面面形检测的同步环带子孔径干涉(SASI)检测方法。该方法利用双焦点透镜形成两个测量波前来匹配非球面不同子孔径区域,进而实现非球面的同步环带子孔径干涉测量。分析SASI检测非球面面形的原理,确定双焦点透镜的焦点间距选取原则,建立子孔径的基准统一模型,通过光学追迹软件辅助建模和坐标变换实现子孔径基准统一与非球面面形重构。结合实例对一个口径为90 mm、顶点曲率半径为317 mm的抛物面进行面形检测实验,SASI方法面形重构结果与Luphoshcan方法检测结果的对比,验证了SASI方法的正确性。该方法在一定程度上扩大了干涉仪直接检测非球面的动态范围,且无需复杂的运动机构就可以同步得到被测非球面两个子孔径区域的干涉图样,加快了检测速度、降低了运动误差对测量精度的影响。

非球面部分补偿检测系统的误差分析与处理

为了实现非球面通用化、高精度检测,提出非球面部分补偿法,并进行误差分析与处理.在光学设计软件ZEMAX中对部分补偿检测系统进行系统建模并优化,分析器件姿态误差及装调精度对重构非球面面形的影响.通过对系统误差的分析,提出基于系统建模的光线追迹与误差存储相结合的系统误差处理方法,将系统误差归为由系统建模得到检测光路的误差和由误差存储得到不含检测光路的干涉仪系统的误差.通过计算机仿真及实验证明,部分补偿检测系统采用该误差处理方法去除系统误差后,可以由逆向迭代优化重构(ROR)技术重构出更精确的非球面面形.将该非球面面形与采用无像差点法得到的面形对比,结果较吻合,均方根(RMS)精度接近0.02λ(λ为波长).

计算全息图检测大口径凹非球面系统的研究

根据圆形计算全息图的衍射特性,将曲面圆形计算全息图与补偿镜相结合,应用于凹非球面折射式零检测光学系统中。与传统的折射式零检测光学系统相比,该系统不仅可以简化光学系统的装调过程,还可以降低计算全息图与补偿镜的制作精度,减少制作成本。阐述了利用曲面计算全息图衍射特性的折射式零检测光学系统检测凹非球面的基本原理,给出了具体的设计实例。对于口径为950mm的抛物面,检测结果P!V值为0.024λ。

大口径非球面计算全息图检测系统

为了精确地检测大口径非球面面形质量,将曲面圆形计算全息图与补偿镜相结合,应用于非球面折射式检测光学系统中。分析了曲面计算全息图的衍射特性,同时分别阐述了利用曲面计算全息图的这种衍射特性来检测凹非球面及凸非球面的基本原理和方法,给出了具体的设计实例。与传统的非球面检测光学系统相比较,该系统不仅简化了传统光学系统的装调过程,还可以大大降低计算全息图(CGH)与补偿镜的制作精度,减少制作成本。尤其是在凸非球面检测过程中,首次在实验技术方面提出了两步全孔径检测法和调整误差的旋转相减消除法,实验验证了该方法的有效性。

计算全息检测非球面的模拟计算研究

非球面与球面相比具有更好的光学性质,应用越来越广泛,但一直受到光学加工和检测技术的限制。用计算全息的方法对非球面进行干涉检测,是目前最成功和最重要的检测方法之一,但在实际应用中,由于待测光和参考光通过计算全息(CGH)后各自均有多级衍射光,其传播方向和干涉情况又受参考光照射方向及衍射距离的影响,导致在实验中不容易判别光路调节是否正确,以及哪一组干涉图样是我们真正需要的。针对这个问题,我们对计算全息检测非球面整个过程中的衍射、干涉进行了模拟计算,通过改变参数,得到了一些有益的结果,通过它们能对实验进行预判和指导,从而避免盲目性和误判。

利用曲面计算全息图进行凸面非球面检测

基于曲面计算全息方法,设计了检测大口径凸面非球面的干涉仪,其精度可优于λ/30(P V值)。研究了利用激光直写设备在曲面基底上制作全息图的方法,由于全息图的线宽变化较大,采用刻线的两边精确写入、中间螺旋线写入快速填充的策略,有效提高了写入精度和效率。在口径110mm、曲率半径500mm的曲面基底上,制作出了全息元件。利用自制的干涉装置,对用金刚石车床车削成的、口径100mm的凸面非球面进行了检测,非球面的精度为0.8λ(P V值),检测结果与车床的精度吻合很好。

改进的Hindle方法检测凸非球面的研究

凸非球面,尤其是大口径快焦比凸非球面的光学检验一直是非球面加工中的难点。针对凸非球面光学元件加工检验困难的问题,研究了一种改进的Hindle方法,解决了经典的Hindle方法需要大口径辅助球面镜和存在中心遮挡等不足。利用该方法对一块Φ88 mm,焦比F/1.9的玻璃材料凸双曲面镜进行检验加工实验,对系统进行了分析优化,简化了检验光路的结构,克服了此种改进的Hindle方法检验时被检镜需要镀膜的缺陷,简化了加工工艺流程,极大地拓宽了该方法的适用范围。加工完成后经移相式数字干涉仪检测,镜面均方根(RMS)误差为0.020λ,验证了优化后方法的可行性。检验结果和对系统的进一步分析表明:经过优化后,改进的Hindle方法能够对多种凸非球面进行检验,是一种有效的高精度检验方法。

二元光学在凸非球面零件检测中的应用

分析使用多种透镜组合成补偿镜对非球面进行背部检验,在各种传统检测方法的基础上,研究了一种新的检测方法——使用二元光学元件(CGH)作为补偿镜来检测大口径凸非球面,从而降低加工精度和减小系统体积.讨论了二元光学的原理和设计方法,并给出设计实例.