精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用 - 干涉非球面檢測(cè)系統(tǒng)與技術(shù)

liudongopt@亞利桑那大學(xué)

光學(xué)中心

干涉儀主機(jī)置于三層樓高

的架子

大型天文望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用3精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@TMT望遠(yuǎn)鏡(Thirty

Meter

Telescope)美國(guó)夏威夷莫納克亞山(國(guó)際著名的優(yōu)良天文臺(tái)址)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@望遠(yuǎn)鏡精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@照相機(jī)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡伽利略式望遠(yuǎn)鏡主鏡面形拋物面主鏡通光口徑279主鏡焦距558副鏡面形雙曲面副鏡通光口徑70.25副鏡頂點(diǎn)曲率半徑338.5副鏡偏心率1.48主鏡與副鏡頂點(diǎn)間距421.5系統(tǒng)焦距2800焦比10主鏡面形拋物面主鏡通光口徑300主鏡焦距1500副鏡面形平面鏡副鏡通光口徑70主鏡與副鏡頂點(diǎn)間距1190系統(tǒng)焦距1500焦比5精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@牛頓式望遠(yuǎn)鏡卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@1

1

1

k

c

r2精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

非球面的定義2cr2z

A4r4

A6r6

A8r8

非球面

二次（曲面）非球面

高次（曲面）非球面表面形狀偏離球面的光學(xué)元件分類(lèi)依據(jù)具體類(lèi)型舉例是否對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)非球面二次曲面、旋轉(zhuǎn)高次曲面非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)非球面圓柱面、復(fù)曲面、環(huán)形曲面等無(wú)對(duì)稱(chēng)中心非球面自由曲面陣列表面光柵、菲涅耳透鏡、二元光學(xué)元件等外形尺寸大型非球面(口徑大于0.5m)應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星等中型非球面一般光學(xué)儀器，如顯微鏡、瞄準(zhǔn)儀等微型非球面(口徑毫米或亞毫米量級(jí))應(yīng)用于光通信、手機(jī)攝像頭等制造精度高精度非球面（精度納米量級(jí)）應(yīng)用于天文、光刻等高精密儀器中等精度非球面（精度1-4μm）如普通光學(xué)儀器中的物鏡、目鏡等低精度非球面（精度0.02-0.2mm）多用于非精密、非成像的大中型生民用設(shè)備精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

非球面的分類(lèi)

非球面的性質(zhì)

1.

參考球和非球面度

頂點(diǎn)球：經(jīng)過(guò)非球面頂點(diǎn)，

而且其半徑和非球面頂點(diǎn)處曲

率半徑相等的球面精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用非球面度：非球面與參考球之間沿法線(xiàn)方向的偏差

基于頂點(diǎn)球的非球面度：

R

(R

z)2

x

最大非球面度在非球面邊緣

處獲得

liudongopt@

非球面的性質(zhì)

1.

參考球和非球面度

最佳球:經(jīng)過(guò)非球面頂點(diǎn)

與兩個(gè)端點(diǎn)的球面精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用非球面度：非球面與參考球之間沿法線(xiàn)方向的偏差

基于頂點(diǎn)球的非球面度：

R

(R

z)2

x

R

(z0

/

2)[1

(x0

/

z0)2]

(x0,z0)為非球面邊緣點(diǎn)

R’為最佳球的半徑

liudongopt@二次曲面橢球面拋物面雙曲面球面

Sn0

Sn

z

Sn

z

Sn

z

S

0精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用

非球面的性質(zhì)

2.

法線(xiàn)像差法線(xiàn)像差：非球面上任意一點(diǎn)處的法線(xiàn)與光軸的Px

R0

uC0

SnCxz非球面

交點(diǎn)和非球面頂點(diǎn)球圓心

之間的距離

法線(xiàn)像差：

Sn

C0C

z

xcotu

R0

nliudongopt@二次曲面與法線(xiàn)像差精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

非球面的性質(zhì)

3.

R數(shù)和F數(shù)

R數(shù)：非球面頂點(diǎn)球曲率半徑R0與口徑D之比R0

DR/#

F數(shù)：非球面的焦距f與口徑D之比

fDF

/#

拋物面精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用雙曲面

橢球面liudongopt@

非球面的性質(zhì)

4.

二次曲面的無(wú)像差點(diǎn)

二次曲面的一對(duì)焦點(diǎn)屬于光學(xué)共軛無(wú)像差點(diǎn)：當(dāng)

點(diǎn)光源位于其中一個(gè)幾何焦點(diǎn)F1時(shí)，所有被二次曲面

反射的光都嚴(yán)格相交于另一個(gè)幾何焦點(diǎn)F2。零位檢測(cè)非零位

檢測(cè)非球面的實(shí)際面形Wfigure

Wdet

12

12Wasp

Wdet

SA12Wasp

Wdet

EretraceWasp

―

非球面面形SA

―

A點(diǎn)的非球面度

Eretrace―

回程誤差

liudongopt@

Wfigure

―

面形

W

det―

探測(cè)器平面波前

S―

入射檢測(cè)光線(xiàn)與最佳參考球交點(diǎn)

A―

入射檢測(cè)光線(xiàn)與被測(cè)非球面交點(diǎn)

S’―

從被測(cè)非球面返回的檢測(cè)光線(xiàn)與最佳參考球的交點(diǎn)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用E

與

SA

回程誤差

retrace

被檢測(cè)對(duì)象

及檢測(cè)系統(tǒng)有關(guān)，是無(wú)S'A

SA

什么是零位檢測(cè)？

通過(guò)設(shè)計(jì)輔助鏡或補(bǔ)償鏡來(lái)完全補(bǔ)償被測(cè)非球面

的理論形狀的法線(xiàn)像差，將入射的平面波轉(zhuǎn)化成與非

球面理想形狀一致的波前。PBS?

Wave

PlateReference

Mirror

BeamExpenderPolarizer

Laser精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用

Image

MirrorCCDASP補(bǔ)償鏡理想情況

liudongopt@

無(wú)像差點(diǎn)法

利用二次曲面光學(xué)共軛點(diǎn)的性質(zhì)，借助輔助平面或球面反射鏡完成對(duì)非球面的檢測(cè)。

拋物面精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用雙曲面

橢球面liudongopt@結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量方便靈敏度高，檢測(cè)精度較高僅限于測(cè)量二次曲面非球面精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

無(wú)像差點(diǎn)法—測(cè)凹拋物面鏡精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

無(wú)像差點(diǎn)法—測(cè)橢球面和雙曲面

零位補(bǔ)償鏡檢測(cè)技術(shù)

設(shè)計(jì)零位補(bǔ)償器作為輔助元件，使光波經(jīng)過(guò)補(bǔ)償鏡后形成的像差能夠完全補(bǔ)償非球面的法線(xiàn)像差，從而產(chǎn)生與理想非球面形狀一致的波前。實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑凹非球面的高精度檢測(cè)，精度達(dá)λ/100補(bǔ)償鏡的設(shè)計(jì)難度大，加工過(guò)程繁瑣，調(diào)裝要求高PBS?

Wave

PlateReference

Mirror

BeamExpenderPolarizer

Laser精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用

Image

MirrorCCDASP補(bǔ)償鏡理想情況

liudongopt@精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@Offner補(bǔ)償鏡

零位補(bǔ)償鏡檢測(cè)技術(shù)

-

常用的零位補(bǔ)償鏡

Dall補(bǔ)償鏡精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

計(jì)算全息零位檢測(cè)

利用衍射光學(xué)元件，產(chǎn)生全息圖CGH代替零位補(bǔ)償鏡，將入射光某一級(jí)次轉(zhuǎn)化為與理想被側(cè)面匹配的波前，起到與零位補(bǔ)償鏡類(lèi)似的作用。精度與零位補(bǔ)償鏡相持測(cè)量速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單CGH基片制作困難，通用性差CGH圖樣精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

計(jì)算全息零位檢測(cè)

-

CGH測(cè)量NTS離軸拋物面精密

S’―

從被測(cè)非球面返回的檢測(cè)光線(xiàn)與最佳參考球的交點(diǎn)Eretrace―

回程誤差

非零位檢測(cè)零位檢測(cè)非零位

檢測(cè)非球面的實(shí)際面形Wfigure

Wdet

12

12Wasp

Wdet

SA12Wasp

Wdet

EretraceWasp

―

非球面面形SA

―

A點(diǎn)的非球面度

liudongopt@Wfigure

―

面形

W

det―

探測(cè)器平面波前

S―

入射檢測(cè)光線(xiàn)與最佳參考球交點(diǎn)

A―

入射檢測(cè)光線(xiàn)與被測(cè)非球面交點(diǎn)

干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用通用性差裝調(diào)困難成本高昂'A

SAE

與

SA

回程誤差

retrace

被檢測(cè)對(duì)象S及檢測(cè)系統(tǒng)有關(guān)，是無(wú)

法通過(guò)顯式表達(dá)出來(lái)的。

長(zhǎng)波長(zhǎng)干涉檢測(cè)

光波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，干涉條紋數(shù)越少

0.6328μm精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用1.064μm

10.6μmliudongopt@常用光源：CO2激光器精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

高密度探測(cè)器檢測(cè)32*3264*64128*128256*256512*512精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用128*128256*256

512*512liudongopt@64*64精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

子孔徑干涉檢測(cè)

將被側(cè)面劃分為若干區(qū)域，對(duì)每個(gè)子孔徑分別進(jìn)行干涉檢測(cè)，最后對(duì)每個(gè)子孔徑進(jìn)行拼接處理。精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

子孔徑干涉檢測(cè)每個(gè)子孔徑的非球面度大為減小精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

子孔徑干涉檢測(cè)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

子孔徑干涉檢測(cè)

-

傾斜波前干涉檢測(cè)

在傳統(tǒng)干涉光路中引入微透鏡陣列，將入射波前分割為具有不同傾角的子波前，減小每個(gè)子孔徑的返回像差。精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

部分補(bǔ)償干涉檢測(cè)

使用部分補(bǔ)償透鏡PNL，將入射波前轉(zhuǎn)化為接近非球面的形狀而非完全匹配。

降低波前檢測(cè)斜率

擴(kuò)大非球面檢測(cè)范圍

提高系統(tǒng)檢測(cè)通用性消球差透鏡PNLPNL

非球面零位檢測(cè)

-

無(wú)像差點(diǎn)檢測(cè)

-

零位補(bǔ)償檢測(cè)

-

計(jì)算全息檢測(cè)

非球面非零位檢測(cè)

-

長(zhǎng)波長(zhǎng)干涉檢測(cè)

-

高密度探測(cè)器檢測(cè)

-

子孔徑干涉檢測(cè)

-

部分補(bǔ)償干涉檢測(cè)

…精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用

檢測(cè)精度高二次曲面

需輔助元件

通用性較差

通用性較強(qiáng)

動(dòng)態(tài)范圍大

誤差標(biāo)定困難

liudongopt@零位檢測(cè)非零位

檢測(cè)非球面的實(shí)際面形Wfigure

Wdet

12

12Wasp

Wdet

SA12Wasp

Wdet

EretraceWasp

―

非球面面形SA

―

A點(diǎn)的非球面度

Eretrace―

回程誤差

liudongopt@

Wfigure

―

面形

W

det―

探測(cè)器平面波前

S―

入射檢測(cè)光線(xiàn)與最佳參考球交點(diǎn)

A―

入射檢測(cè)光線(xiàn)與被測(cè)非球面交點(diǎn)

S’―

從被測(cè)非球面返回的檢測(cè)光線(xiàn)與最佳參考球的交點(diǎn)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用E

與

SA

回程誤差

retrace

被檢測(cè)對(duì)象

及檢測(cè)系統(tǒng)有關(guān)，是無(wú)S'A

SA面形重構(gòu)技術(shù)精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

二倍關(guān)系法(GDI)

將非球面當(dāng)做球面進(jìn)行檢測(cè)結(jié)論：即使在小非球面度時(shí)，仍有較大誤差！Wfigure

Wdet

12

零位：Wdet非零位：Wdet

(W

WWasp

det

det

').

理論波前法(TRW)

實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模型

檢測(cè)干涉圖真實(shí)面形（未知）模型中的干涉圖面形12Wdet

'

liudongopt@

Wdet

被測(cè)非球面的面形為精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

理論波前法(TRW)

逆向重構(gòu)法(ROR)

實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模型

檢測(cè)干涉圖真實(shí)面形（未知）模型中的干涉圖面形

檢測(cè)波前

模型中的波前

基于光學(xué)系統(tǒng)建模的逆向迭代優(yōu)化面形重構(gòu)(ROR)技術(shù)

D.

Liu,

T.

Shi,

L.

Zhang,

Y.

Yang,

Shen

Yibing.

“Reverse

optimization

reconstruction

of

aspheric精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@

逆向重構(gòu)法(ROR)PZTGuide

rail精密干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)與應(yīng)用liudongopt@PNLMirrorAsperic

under

testBeamsplitterBeam

expanderLaser

CCDzI