基于奇偶函数法的绝对检测实验研究

针对平面干涉检测技术的检测精度受限于参考面面形精度的问题,提出使用基于奇偶函数的高精度绝对检测方法消除干涉系统中参考面面形误差的影响。对旋转角度误差与旋转偏心误差对绝对检测方法测量精度的影响进行了仿真分析。利用商用菲索干涉仪,设计和分析了绝对检测精度实验及重复性实验。仿真结果显示:旋转角度误差在达到0.13°时,测量误差PV值为0.000 1λ;旋转偏心误差达到3pixel时,测量误差PV值为0.005λ。实验结果显示:测得实际样品的绝对检测精度PV_(10)值为0.041 5λ,RMS值为0.008 7λ,小于常规干涉检测所得结果;对同一平面两次独立的绝对检测结果进行点对点作差处理,从而获得残差图,其残差图PV_(10)值为0.004λRMS值为0.000 5λ。实验结果表明了该方法的高重复性和有效性。

基于迟滞非线性补偿系统的光学元件形貌检测

为了减少相移干涉仪中压电陶瓷致动器进行相移时,其迟滞非线性对相移算法中的相位计算带来的误差,设计了一套压电陶瓷致动器的控制系统.利用高精度电阻应变传感器和基于锁相放大原理的信号调理电路检测压电陶瓷致动器位移,建立多项式数学模型描述迟滞非线性,然后提出了一种前馈开环控制方法补偿其迟滞非线性.最后,基于所提出的方案对压电陶瓷致动器进行了期望轨迹的跟踪控制实验,同时将补偿控制系统与干涉仪相结合检测光学元件表面形貌.实验结果表明:补偿后,压电陶瓷致动器的跟踪误差在-0.156μm与+0.078μm之间,迟滞非线性度由10.4%降到2.4%,且干涉仪所测得的光学元件表面面形起伏高度均方根和峰谷分别改变了0.795nm和3.937nm.该系统对于高精度的光学元件形貌检测具有重要的意义.

基于光强实时反馈控制和同步校准的波长调谐移相干涉系统

波长调谐移相干涉技术是通过改变光波长来计算相位的。为了减少可调谐激光器在变波长进行移相时光功率的随机变化对相位计算产生的误差,本文提出了一套光强实时反馈控制系统和同步校准方案。首先分析了光强在某一范围内的随机变化产生测量误差,并选用合适的光电检测设备搭建了一套光强控制系统。该系统能够将光信号转化为电信号,并通过PID来实现对光强的控制。实验结果表明,本系统能够将光强的变化范围控制在±0.002 mW以内,其响应速度达到600 kHz,已远远超过干涉仪CCD的取图速度。最后,对口径为50 mm的光学元件进行表面形貌检测,加入本控制系统后,面形精度的测量指标PV值和RMS值分别提高了1.53×10^-2λ和2.43×10^-3λ,表明本系统在高精度的光学元件检测领域具有重要的实用价值。

离焦位置任意波长透射波前Zernike系数算法研究

基于Zernike多项式波前拟合法,提出计算离焦位置任意波长透射波前Zernike系数的算法,在聚焦位置Zernike系数基础上补偿离焦距离内Zernike系数变化量.以典型的消色差望远物镜为例,根据设计波长及权重优化其工作位置,计算不同波长的聚焦位置与工作位置的离焦量,使用该算法验证消色差系统工作位置任意波长Zernike系数.与在工作位置直接使用Conrady-Zernike公式对比表明,该算法对于与位置有关的Zernike系数计算效果明显,Z1的绝对误差由6.78降低到了1.41,Z4的绝对误差由6.83降低到了1.45.

一种高精度通用的数据采集系统的设计与实现

为了保证激光干涉仪内部的压电陶瓷驱动器(PZT)能够精准地工作,PZT的驱动电路系统的有效位数必须达到12位。文中介绍了一种基于ADS1255的高精度通用的数据采集系统。如何使用高精度的ADS1255模数转换芯片,文中给出了硬件和软件设计方法并作了详细的说明。该设计以TI公司的24位∑-Δ型模数转换芯片ADS1255和16位数模转换芯片AD5062为核心,以STC公司的STC89C58RD+为控制器,采用串口通信的方式将ADS1255采集到的数据进行输出并保存。最后再通过MATLAB编程对得到的数据进行分析处理,由数据结果可得到电路系统的有效位数为13位并同时验证了数据采集系统的准确性[1-2]。

基于L298N的直流电机调速系统的设计与应用

本实验主要研究用无线控制的方式调节激光干涉仪的测量参数,以此实现其高效测量光学样品功能。实验中,直流电机调速系统软件是由TI提供的Basic RF来实现数据接收和发送,硬件是在控制模块与直流电机之间连接一L298N驱动模块,通过无线遥控板向CC2530控制板发送数据来驱动直流电机的转动以及调速,达到其在激光干涉仪中控制调整光学测量环境的重要应用。实验证明:基于L298N的直流电机调速系统可达到无线控制调节激光干涉仪的目的,使得激光干涉仪测量样品更加准确、高效。

光学系统纵向色差的仿真及验证

现有的焦距检测方法通常由于检测仪器光源波长与光学系统不完全匹配从而产生纵向色差影响检测结果。针对这一问题,研究光学系统纵向色差的变化规律,并确定在400 nm^1 000 nm波段用于表示其函数关系的Conrady公式和复消色差特性公式。根据光学系统近焦位置的离焦量与位置呈线性关系的特性,提出使用菲索干涉仪测量5种不同波长的焦距位置,获得单透镜和双胶合镜头的纵向色差曲线。实验结果表明:在400 nm^1 000 nm波段单色系统和消色差系统的纵向色差的函数关系分别符合Conrady公式和复消色差特性公式,研究结果为焦距的理论计算和精确检测提供了新的思路和参考。

平面绝对检测闭环自检实验研究

基于Ai C和Wyant J C的奇偶函数法,提出了4步旋转绝对检测方法,减少了旋转次数,将第二次测量的旋转角度选为90°。实验基于HOOL L9600A-HS3干涉仪,采用4步旋转绝对检测方法,将3个平面两两互检计算出3个平面的绝对面形。其中平面C的表面面形起伏高度均方根(RMS)值和峰谷(PV)值分别为3. 460 nm和35. 227 nm,经闭环自检后的测量结果分别为3. 783 nm和34. 305 nm以及3. 669 nm和34. 252 nm,数据基本一致,表明测量数据能够实现闭环自检。使用该方法对中国计量科学研究院的标准平面镜进行测量,平面的RMS值和峰谷PV值分别为2. 400 nm和19. 600 nm,与该院的测量结果 2. 000 nm和16. 000 nm对比,两者的测量偏差在nm量级,充分证明了实验的有效性及高重复性;此外实验还分析了温度对测量结果的影响。

干涉测量圆柱外表面的误差分析

使用一个特殊圆台面反射镜,在Fizeau(菲索)干涉仪系统中,可实现对圆柱外表面粗糙度的一次性测量。但反射镜与待检测圆柱的空间相对位置很难精准确定,因而会引入测量失调误差,影响测量结果的精度。为了便于剔除误差,要对误差的类型以及产生原因做具体分析。研究光线传播轨迹并建立数学模型,在圆柱坐标系下求解得到偏移失调误差、旋转失调误差、加工角度误差与测量光程差的关系式。使用Matlab软件仿真,绘制出3种失调误差对应的干涉条纹。分析引入误差的干涉条纹,对比实验测量结果,减小误差对测量结果的影响,得到圆柱外表面的形貌信息。

一种波长调制干涉仪光强实时反馈控制系统

提出了一种实时反馈控制系统,保证波长调制干涉仪的激光光强在波长调谐过程中的稳定性,以减小波长调制干涉仪因激光光强的波动产生的相位误差。该控制系统由光电探测器、数据采集卡、光电调幅器和控制软件等组成。实验结果表明,该系统的响应速度超过了干涉仪获取干涉图的速度,不仅能够稳定输出理想的光强值,而且还提高了干涉仪的测量精度。

干涉仪标准球面镜头的智能化选择

提出了一种干涉仪标准球面镜头智能化选择的方法,能够根据被测样品的类型、口径和曲率半径智能化地选择出符合测量要求且经济实惠的光学系统口径和标准球面镜头,并通过表格导入数据来输出结果,这为光学的检测节约了时间、提供了便利。最后,程序优化了所选择标准球面镜头的数量,大大缩减了成本。

锥形内表面干涉测量误差分析

为了实现对回转锥形内表面的形貌精密测量,分析了干涉测量中误差产生的原因,明确了误差对测量结果造成的影响。通过在圆柱坐标系下建立数学模型,推导出偏移误差和角度误差的数学公式,并对误差公式进行分析。结果表明:圆锥反射镜的偏移量和顶角的加工误差都会造成光程差;当偏移量极小时,光程差与反射镜偏移量成线性关系;光程差对于角度误差非常敏感,为了保证测量精度,需要严格控制圆锥反射镜的顶角大小。

基于环形透镜的菲索干涉仪环形光源设计

针对使用点光源的激光干涉仪在测量中容易出现相干噪声的问题,阐述了环形光源抑制相干噪声的原理,分析了环形光源半径及厚度与条纹可见度之间的关系,提出一种基于环形透镜产生环形光源的光学系统。该系统包括扩束系统、环形透镜和双远心镜头,根据菲索干涉仪中的准直镜头和干涉腔长得到环形光源的目标参数。使用Zemax分别设计了环形光源系统中的三个子系统,并保证各部分光学系统之间良好衔接。其中:环形透镜由一个非球面透镜旋转而成;双远心镜头可以使环形光源直径缩小到合理范围,并确保最后环形光源上每个离轴点的出射光束都与光轴平行。最终设计出环半径为0.38 mm、厚度为12.5μm的环形光源,在准直透镜焦距为900 mm、干涉腔长为100 mm的情况下,干涉条纹可见度的理论值大于0.98。

菲佐干涉仪可变波长标准球面镜头设计

菲佐激光干涉仪使用的标准球面镜头通常只能在特定波长下使用。提出了一种通过调整镜头内部透镜间隔来改变其工作波长的方法,利用该方法设计了两款可变波长标准球面镜头,口径为19.05mm,镜头光圈系数分别为5.6和8。镜头在各目标波长下的参考波前质量均满足设计要求,并分析了公差容限以确保镜头具有可实际加工性。根据可变波长标准镜头的装调和工作原理设计了机械结构,并研制出光圈系数为8的实验镜头,测得其透射波前峰谷值在标准632.8nm激光干涉仪下小于λ/10(λ为入射光的波长),镜头的实际加工误差在容限范围内。使用多波长激光干涉装置和实验镜头测量了同一球面元件的面形,在5种波长下测量结果基本一致,实验结果表明,可变波长标准镜头可以用于实际检测。该类镜头的研发节约了检测成本,提高了标准镜头在激光干涉测量中的利用率,该镜头具有较高的工程应用价值。