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复杂曲面光学元件高精度面形检测技术概述

南通大学学报（自然科学版） 2024年第1期23卷 1-27页

作者：刘斌王孝坤程强刘忠凯李凌众蔡梦雪张洛嘉李文涵王金成张学军中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049 应用光学国家重点实验室吉林长春130033 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室吉林长春130033

复杂曲面光学元件应用于光学系统中可以增大系统设计自由度,同时减少系统所需元件数量,有利于实现光学系统的紧凑化、轻量化,被誉为现代光学系统的变革性元件,被广泛应用于空间光学、光刻系统、汽车照明等领域,极大推动了航天、国防及... 详细信息

复杂曲面光学元件应用于光学系统中可以增大系统设计自由度,同时减少系统所需元件数量,有利于实现光学系统的紧凑化、轻量化,被誉为现代光学系统的变革性元件,被广泛应用于空间光学、光刻系统、汽车照明等领域,极大推动了航天、国防及高科技民用事业的发展。然而,复杂曲面光学元件对面形精度要求较高,如何对其面形进行高精度检测从而指导加工成为限制该类元件大范围应用的瓶颈。文章对10余种常用的复杂曲面光学元件面形检测方法进行了分类梳理,按照是否采用干涉原理,将检测方法分为非干涉检测法和干涉检测法两大类,分别介绍了各种检测方法的原理和适用范围,回顾了各方法的发展历程,着重分析了几种典型方法进行面形检测的特点,并对未来复杂曲面光学元件高精度面形检测技术的发展趋势加以展望。

关键词：复杂光学曲面面形检测非接触检测干涉检测零位检测非零位检测

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基于立体相位偏折术的X射线薄箔镜面形检测

基于立体相位偏折术的X射线薄箔镜面形检测

作者：郑君镇苏州大学

学位级别：硕士

X射线薄箔镜作为嵌套型X射线掠入射望远镜的核心元件,其面形精度直接决定了光学系统的成像分辨率或能量集中度。虽然X射线薄箔镜的面形通常为旋转对称的二次曲面,但在光轴方向面形梯度大,传统的干涉检测方法难以获得高精度的测量结果;... 详细信息

X射线薄箔镜作为嵌套型X射线掠入射望远镜的核心元件,其面形精度直接决定了光学系统的成像分辨率或能量集中度。虽然X射线薄箔镜的面形通常为旋转对称的二次曲面,但在光轴方向面形梯度大,传统的干涉检测方法难以获得高精度的测量结果;且镜片结构轻薄易变形,装配时光学表面成为镜头结构的内表面,受此影响,接触式的和非接触式的轮廓测量方式都不适用于薄箔镜的面形检测。因此有必要提出一种X射线薄箔镜的有效检测方法。本文提出了一种基于立体相位偏折术的检测方法,具有测量角度大、非接触、精度高、速度快等特点,理论分析、光学仿真和实验测量结果表明该方法对于X射线薄箔镜的面形检测具有一定的可行性。论文介绍了立体相位偏折术的检测原理,并对该方案涉及的相移技术、相位展开算法、系统标定方法、立体匹配方案以及基于梯度数据的面形重构算法等技术构成进行了深入的研究。分析了相移算法的步长对系统非线性响应误差的抑制作用;比对了各类相位展开算法的优缺点,使用改进的中值滤波算法来消除相位展开时的跳变误差;介绍了相机成像模型、镜头畸变模型以及双目标定技术,并开发了双目相机图像采集系统;由于相机采集的是屏幕经平面镜反射的虚像,为获取相机与屏幕之间的位姿关系,采用基于正交约束的镜面标定法求解两者之间的旋转矩阵和平移向量;利用梯度数据积分进行面形重构,研究了直接积分法、离散傅里叶变换积分法、区域波前重构法以及模式重构法的数学原理,并仿真比对了各算法的重构速度和精度。针对光滑待测表面的立体匹配精度和速度问题,本文提出了基于多项式拟合的多步长搜索算法,通过细分初始位置附近的搜索步长获得匹配数据,进行多项式拟合并求导计算极值点对应的矢高值作为待测点的精确空间坐标,提高匹配精度和效率。为验证该方法的有效性,以Zygo干涉仪的检测结果(PV0.245μm,RMS0.026μm)为参考比较测量了一个球面镜,传统匹配方法的测量结果为PV 0.391μm,RMS 0.0596μm,耗时163.51s,而采用多项式拟合的多步长搜索算法解算的面形精度为PV 0.317μm,RMS 0.0403μm,耗时54.86s。比对结果表明本文提出的匹配算法速度更快、精度更高,具有更好的应用价值。基于光路仿真结果,搭建实验平台,对X射线薄箔镜的面形进行了实验测量。首先在ZEMAX软件中建立测量光路模型,根据优化的结构参数搭建了实验装置,完成了系统标定和图像采集;然后利用十二步相移算法和三频外差法实现了绝对相位解算,并通过改进的中值滤波算法去除相位“拉线”噪声,采用本文提出的基于多项式拟合的多步长搜索算法进行立体匹配,计算得到梯度数据后使用模式重构法恢复了待测镜的三维面形。与镜片的设计参数进行比较,实测的面形残差为PV 10.9μm,RMS 1.4μm,实验结果表明基于多项式拟合多步长搜索算法的立体相位偏折术对于X射线薄箔镜的面形检测具有一定的可行性和应用价值。

关键词：相位偏折术 X射线薄箔镜面形检测立体匹配

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同步辐射X射线镜高精度面形检测

同步辐射X射线镜高精度面形检测

作者：覃蝶中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

学位级别：硕士

X射线聚焦镜是大型同步辐射光束线中用于光束整形与聚焦的重要光学元件,为实现X射线的高相干传输和纳米级聚焦,要求X射线反射镜的面形精度优于1 nm。超高精度X射线镜面形检测是高精度纳米聚焦镜制造和加工过程中的重要技术难题。拼接干... 详细信息

X射线聚焦镜是大型同步辐射光束线中用于光束整形与聚焦的重要光学元件,为实现X射线的高相干传输和纳米级聚焦,要求X射线反射镜的面形精度优于1 nm。超高精度X射线镜面形检测是高精度纳米聚焦镜制造和加工过程中的重要技术难题。拼接干涉检测技术是目前X射线光学元件精加工阶段的重要面形检测手段。在X射线镜的拼接干涉检测过程中,定位误差和拼接角累积误差是影响拼接面形精度的重要因素,目前国内外拼接检测装置对于定位误差和拼接角累积误差的处理更多依赖于高精度的被测镜位移平台和精密角度辅助测量装置,但实际拼接过程中,纳米级的面形拼接精度要求为高精度拼接测量机械平台的搭建带来了困难。本论文主要围绕X射线镜高精度拼接干涉面形检测技术展开研究,着重研究了拼接过程中定位误差和拼接角累积误差对拼接面形的影响及处理方法,并搭建了基于遗传算法的X射线镜拼接检测模型和基于辅助角测量的相对角度拼接平台,具体研究工作主要分为以下三个部分:1、基于现有实验条件和X射线聚焦镜的面形特征搭建了基于重叠区域拼接角计算的子孔径拼接检测模型。通过仿真模拟的方法对子孔径测量过程中和拼接过程中引入的随机误差、回程误差、拼接角误差以及定位误差进行数值仿真并具体分析各类误差对模型拼接精度的影响。2、针对拼接干涉测量过程中子孔径机械定位误差问题,提出了基于遗传算法的X射线柱面镜拼接检测方法。利用子孔径重叠区域匹配度作为适应度函数,使用遗传算法计算子孔径测量过程中产生的定位误差并对子孔径测量数据进行补偿。仿真和实验验证结果表明,模型能够实现优于0.01°的旋转角度估计以及亚像素级的偏移量估计,并且有效补偿拼接过程中引入的定位误差,提高柱面镜拼接检测精度,减小子孔径测量过程中对高精度机械位移平台的依赖。3、针对传统拼接方法存在的拼接角计算误差累积的问题,搭建了基于辅助角测量的相对角度拼接平台,并针对由平台稳定性和同步性精度不足引起的角度测量误差,提出了基于遗传算法和模式搜索算法的优化方法(GeneticAlgorithm-Pattern Search Methods,GA-PSM),以重叠区域残差为目标函数,平台角度测量值为初值,求解最优相对调整角度。实验表明,GA-PSM方法能够有效解决由平台稳定性不足引起的相对角度测量误差问题,在不改变机械装置的情况下将角度测量误差从10μrad降至3*10μrad以下,有效提升相对角度拼接平台的面形拼接精度。

关键词：同步辐射 X射线光学光学测量面形检测拼接干涉

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基于DMD的大陡度面形检测技术

基于DMD的大陡度面形检测技术

作者：邓婷中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

学位级别：硕士

非球面能够让光学系统拥有更小、更轻、更简单的结构,因此越来越多地被用于现代高质量光学。但非球面的面形复杂,对其的高精度检测具有相当大的难度,这限制着光学非球面元件的制造与应用。不同加工阶段的精度要求对应的检测手段不尽相同... 详细信息

非球面能够让光学系统拥有更小、更轻、更简单的结构,因此越来越多地被用于现代高质量光学。但非球面的面形复杂,对其的高精度检测具有相当大的难度,这限制着光学非球面元件的制造与应用。不同加工阶段的精度要求对应的检测手段不尽相同,在研磨阶段轮廓仪即可满足其检测精度要求;在精抛光阶段通常使用零位干涉仪进行非球面的面形检测。但在精磨和粗抛光阶段,由于轮廓仪精度和干涉仪动态范围的有限性导致无法满足复杂面形的高精度检测要求。而夏克哈特曼波前传感器可以弥补该阶段检测的空缺,但夏克哈特曼波前传感器的动态范围受到微透镜的个数和尺寸的限制。为提高夏克哈特曼波前传感器的动态范围,本文使用数字微反射镜阵列（Digital Micromirror Devices,DMD）代替夏克哈特曼波前传感器的光阑对光束的分束作用,将待测波前顺序扫描并反射至探测器上来提高其动态范围。本文在夏克哈特曼波前传感器的基础上对大陡度（斜率）面形检测进行深入研究,设计了此检测方案,主要研究内容包括:一、介绍了基于DMD的大陡度面形检测技术的整体方案。从解决夏克哈特曼波前传感器检测大陡度波前易出现光斑质心交叠的问题着手,用DMD数字微反射镜阵列将波前顺序扫描反射,探测器上每次只出现一个光斑,大大地增大了其动态范围。二、介绍了光学元器件选型规则以及工装夹具的设计要求。该部分是完成大陡度面形检测的基础,实现了待测反射镜的面形到携带面形信息的波前转换。三、介绍了该系统涉及的几种基本算法。包括（1）实现波前顺序扫描的DMD控制算法。（2）用Radon变换实现DMD衍射光斑的质心提取算法。（3）由波前斜率信息反演到波前相位分布的波前重构算法。最后,本文还分析了不同光栅常数、激光波长以及入射角大小对DMD衍射效应的影响。四、对检测系统的可行性及大动态范围性进行实验验证。（1）首先完成了离焦及倾斜像差的检测,定性的验证了面形检测技术的正确性。（2）其次完成了旋转对称非球的测量并对检测结果与干涉仪检测结果进行对比分析,验证了检测系统的可行性。（3）最后对一非球面偏离量为71μm的离轴非球面进行检测,测得该非球面经球面补偿后的波前与理论非球面偏离量一致,证明该检测系统具有大动态范围。

关键词：非球面面形检测夏克哈特曼波前传感器动态范围

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多表面干涉下的光学元件面形检测

光学精密工程 2013年第5期21卷 1144-1150页

作者：任寰马力刘旭何勇郑万国朱日宏南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094 中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900

为了消除平行平板类光学元件的多表面干涉效应对元件面形测量的影响,提出了基于波长移相调谐技术与傅里叶变换原理的多表面干涉条纹检测技术。首先,根据波长移相原理和被测元件的厚度,按照推算出的被测腔长与元件厚度间的比例关系正确... 详细信息

为了消除平行平板类光学元件的多表面干涉效应对元件面形测量的影响,提出了基于波长移相调谐技术与傅里叶变换原理的多表面干涉条纹检测技术。首先,根据波长移相原理和被测元件的厚度,按照推算出的被测腔长与元件厚度间的比例关系正确摆放被测元件的测试位置。然后,通过波长移相技术采集一组干涉图。最后,对这组多表面干涉图进行离散傅里叶变换,提取带有被测元件前后表面面形的频率信息以及厚度变化的频率信息,通过重构算法得到准确的面形信息和厚度信息。实验结果表明:与传统的13步移相算法相比,得到的前表面PV值和RMS值分别相差0.003和0.001,而后表面PV值与RMS值分别相差0和0.001。这些结果基本满足平行平板类光学元件面形的高精度测量与洁净测量的要求。

关键词：光学元件面形检测多表面干涉检测波长移相平行平板傅里叶变换

近柱面中频面形检测中曲面拟合法精度问题研究

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物理学报 2005年第7期54卷 3144-3148页

作者：谢本超卢振武李凤有中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室中国科学院研究生院北京100039

研究了曲面拟合法对特定抛物和双曲近柱面检测中波前像差的处理过程,结果表明,对振幅为0.1λ的中频正弦型面形,由曲面拟合法得到的结果与该正弦型面形之差的RMS值分别可以达到0.015λ(8.25nm)和0.013λ(7.15nm).通过分析拟合阶数对精度... 详细信息

研究了曲面拟合法对特定抛物和双曲近柱面检测中波前像差的处理过程,结果表明,对振幅为0.1λ的中频正弦型面形,由曲面拟合法得到的结果与该正弦型面形之差的RMS值分别可以达到0.015λ(8.25nm)和0.013λ(7.15nm).通过分析拟合阶数对精度的影响,确认存在一个特殊的阶数no、它使曲面拟合法的精度达到最高;讨论了估计no值的方法,得到了和no真实值完全符合的估计值,表明这些方法是行之有效的.

关键词：曲面拟合法问题研究精度面形检测中频柱面处理过程波前像差拟合阶数 RMS值估计值真实值正弦

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小口径深度凸非球面的高精度面形检测

红外与激光工程 2022年第9期51卷 76-83页

作者：刘佳妮陈安和李智勇夏方园刘丙才李世杰西安空间无线电技术研究所陕西西安710000 西安工业大学光电工程学院陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室陕西西安710021

凸非球面反射镜在反射式光学系统中的应用非常广泛,但其面形高精度检测一直是光学制造领域的难题。为了实现小口径、深度凸非球面的面形高精度检测,提出了一种基于计算全息图(Computer Generated Hologram,CGH)的零位干涉检测技术。首先... 详细信息

凸非球面反射镜在反射式光学系统中的应用非常广泛,但其面形高精度检测一直是光学制造领域的难题。为了实现小口径、深度凸非球面的面形高精度检测,提出了一种基于计算全息图(Computer Generated Hologram,CGH)的零位干涉检测技术。首先,详细阐述了该技术的检测原理和方法,给出了计算全息中补偿测试全息和对准标记全息设计过程中的技术要点;然后结合工程应用,针对口径15 mm、顶点曲率半径11.721 mm、非球面度达到72μm的深度凸非球面,设计并制造了相应的CGH补偿元件,完成了相应零位干涉检测系统的搭建和检测实验;最后,与Luphoscan的检测结果交叉对比,验证了该检测方法的准确性。该技术为小口径凸非球面的高精度检测提供了一种有效的方法,具有显著的工程应用价值。

关键词：面形检测凸非球面计算全息图干涉

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一种针对超大口径凸非球面的面形检测方法

中国光学 2019年第5期12卷 1147-1154页

作者：张海东王孝坤薛栋林张学军中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

本文提出了一种改良的检测方法用于实现对超大口径凸非球面反射镜进行高精度的面形检测。该方法利用计算机再现全息和照明透镜混合补偿,实现对超大口径凸非球面的高精度检测。首先,对该方法的基本原理进行了分析和研究;然后,以一块口径... 详细信息

本文提出了一种改良的检测方法用于实现对超大口径凸非球面反射镜进行高精度的面形检测。该方法利用计算机再现全息和照明透镜混合补偿,实现对超大口径凸非球面的高精度检测。首先,对该方法的基本原理进行了分析和研究;然后,以一块口径为800 mm的超大口径凸非球面为例,进行了子孔径规划和检测光路中相关光学元件的设计;最后,以中心子孔径为例,系统分析了该检测装置的敏感度。仿真实验结果表明:计算全息补偿器的设计残差均方根值小于0. 001 3 nm,该检测系统的综合检测精度可以优于6 nm RMS。结果表明该检测系统满足超大口径凸非球面反射镜高精度面形检测的要求。

关键词：面形检测非球面像差补偿衍射光学元件

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光学自由曲面面形检测方法进展与展望

光学学报 2021年第1期41卷 154-171页

作者：朱日宏孙越沈华南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094 南京理工大学先进固体激光工业和信息化部重点实验室江苏南京210094

光学自由曲面具有强大的矫正像差和优化系统结构的能力,被誉为现代光学系统的变革性元件。但是,自由曲面面形过于复杂,其高精度检测存在巨大的难度,这限制了自由曲面面形的制造水平,其大规模应用也受到限制。目前,光学自由曲面的检测技... 详细信息

光学自由曲面具有强大的矫正像差和优化系统结构的能力,被誉为现代光学系统的变革性元件。但是,自由曲面面形过于复杂,其高精度检测存在巨大的难度,这限制了自由曲面面形的制造水平,其大规模应用也受到限制。目前,光学自由曲面的检测技术主要是从非球面检测技术发展而来的。回顾了近年来光学自由曲面检测方法的发展历程,着重分析了几种典型的检测方法及其特点,并展望了自由曲面检测技术的未来发展趋势。

关键词：测量光学自由曲面面形检测轮廓法结构光干涉法