光学平面元件绝对检验及其关键技术研究

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光学干涉测量是获取、记录及计算光波相干叠加形成明暗条纹的一种测量方法,该方法测量精度可达到深亚波长量级,同时兼具大量程、非接触、高灵敏度等优势,是公认的检测光学零件、光学系统的一种有效而准确的手段,在光学加工、仪器设计、三维形貌测量、波前探测等各方面都有着广泛应用。通用的干涉仪是一种相对测量仪器,它提供高精度的参考面,根据干涉图获取被测光学表面与参考面的偏差。干涉仪参考面的面形偏差会引入仪器的系统误差,影响最终的测量结果。这一问题已成为制约目前高精度光学元件加工与制造的瓶颈之一。同时,如何对目前制造的高精度大口径干涉仪的标准镜精度进行标定,也是目前面临的又一个重要问题。为了解决以上矛盾,提出了光学平面的绝对检验技术,该方法能够分离干涉仪参考面和被测面各自的偏差,其结果不会受到参考面面形精度的制约,近年来越发受到研究者们的重视,并作为干涉仪标定和光学平面元件高精度检测的重要手段。本文研究光学平面元件的绝对检验技术,主要包括测量方法、绝对面形求解算法及其波面拟合和分析技术。  在空域方法上,提出了基于两平晶互检的图像旋转绝对面形求解方法,该方法使用三步法旋转图像,进行双立方插值,分别计算绝对面形中包含的旋转变化量和非旋转变化量。实验结果表明,其结果在低频面形分量上特征参数与Zernike拟合法计算结果一致,最大峰谷值和均方根值的偏差为0.7nm和0.06nm,在中频段的波纹信息中,功率谱密度值比Zernike拟合法获得的面形信息提高了1~2个数量级。  在频谱域方法上,基于两平晶互检方法,提出了旋转剪切绝对检验算法,该方法通过对测量波面进行傅立叶变换,再进行旋转差分滤波,将波面中的非旋转对称量分离出来,最后进行逆变换,求得光学平面的绝对面形分布。实验测量的光学平面元件的结果表明,在低频面形分量上,该方法与直接Zernike拟合法得到的波面分布一致,两者最大均方根偏差为0.0007λ。而在中频波纹信息中,该方法的PSD值比Zernike拟合结果高出1个数量级。  在大口径光学平面测量中,提出了子孔径拼接和绝对检验相结合的方法,解决了只有一块大口径透射平晶和一块大口径反射平晶的情况下,如何测量一条直径上绝对面形分布的问题。该方法通过多次测量局部面形并从中扣除小口径平晶的绝对面形偏差,再通过拼接算法获得整条直径上的绝对面形分布,实际测量了600mm口径干涉仪的标准透射平晶和反射平晶,结果表明该干涉仪透射平晶和反射平晶水平方向直径上的PV值分别为0.048λ和0.037λ,RMS值分别为0.009λ和0.006λ。  在平面绝对检验测量中,数据拟合是一项关键技术,本文对此进行了深入研究并将其拓展到非圆孔径的拟合计算之中,提出了在非圆形区域的离散采样数据中,使用系数矩阵的QR分解,计算正交多项式系数的方法。使用该方法可以得到一组在孔径区域上正交的多项式基底及其系数。分析了典型非圆形区域的正交多项式,编制了计算程序,对矩形光栅反射波前和不规则多边形空间相机反射镜的测量数据进行拟合,在Zernike多项式拟合下,结果与目前主流商用干涉分析软件一致,此外,该程序还可以实现多种形式、任意项数的正交多项式快速拟合。  为了分析绝对检验中可能存在的参考面和被测面中心不重合的问题,研究了Zernike,Chebyshev和Legendre多项式基底在区域旋转、平移和缩放前后,其表达式的变化关系。提出了一般计算方法,在连续和离散采样条件下,分别给出了与几何像差对应的解析表达式和系数转换矩阵。当横向平移或缩放量较小时,给出了一阶近似表达式。该方法可以用于分析和校正绝对检验测量中横向平移误差造成的影响。
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