精密干涉传感技术与应用 - 干涉非球面检测系统与技术

liudongopt@亚利桑那大学

光学中心

干涉仪主机置于三层楼高

的架子

大型天文望远镜检测精密干涉传感技术与应用3精密干涉传感技术与应用liudongopt@TMT望远镜(Thirty

Meter

Telescope)美国夏威夷莫纳克亚山(国际著名的优良天文台址)精密干涉传感技术与应用liudongopt@望远镜精密干涉传感技术与应用liudongopt@照相机精密干涉传感技术与应用liudongopt@

复杂光学系统精密干涉传感技术与应用liudongopt@

复杂光学系统精密干涉传感技术与应用liudongopt@开普勒式望远镜伽利略式望远镜主镜面形抛物面主镜通光口径279主镜焦距558副镜面形双曲面副镜通光口径70.25副镜顶点曲率半径338.5副镜偏心率1.48主镜与副镜顶点间距421.5系统焦距2800焦比10主镜面形抛物面主镜通光口径300主镜焦距1500副镜面形平面镜副镜通光口径70主镜与副镜顶点间距1190系统焦距1500焦比5精密干涉传感技术与应用liudongopt@牛顿式望远镜卡塞格林式望远镜精密干涉传感技术与应用liudongopt@1

1

1

k

c

r2精密干涉传感技术与应用liudongopt@

非球面的定义2cr2z

A4r4

A6r6

A8r8

非球面

二次（曲面）非球面

高次（曲面）非球面表面形状偏离球面的光学元件分类依据具体类型举例是否对称旋转对称非球面二次曲面、旋转高次曲面非旋转对称非球面圆柱面、复曲面、环形曲面等无对称中心非球面自由曲面阵列表面光栅、菲涅耳透镜、二元光学元件等外形尺寸大型非球面(口径大于0.5m)应用于天文望远镜、卫星等中型非球面一般光学仪器，如显微镜、瞄准仪等微型非球面(口径毫米或亚毫米量级)应用于光通信、手机摄像头等制造精度高精度非球面（精度纳米量级）应用于天文、光刻等高精密仪器中等精度非球面（精度1-4μm）如普通光学仪器中的物镜、目镜等低精度非球面（精度0.02-0.2mm）多用于非精密、非成像的大中型生民用设备精密干涉传感技术与应用liudongopt@

非球面的分类

非球面的性质

1.

参考球和非球面度

顶点球：经过非球面顶点，

而且其半径和非球面顶点处曲

率半径相等的球面精密干涉传感技术与应用非球面度：非球面与参考球之间沿法线方向的偏差

基于顶点球的非球面度：

R

(R

z)2

x

最大非球面度在非球面边缘

处获得

liudongopt@

非球面的性质

1.

参考球和非球面度

最佳球:经过非球面顶点

与两个端点的球面精密干涉传感技术与应用非球面度：非球面与参考球之间沿法线方向的偏差

基于顶点球的非球面度：

R

(R

z)2

x

R

(z0

/

2)[1

(x0

/

z0)2]

(x0,z0)为非球面边缘点

R’为最佳球的半径

liudongopt@二次曲面椭球面抛物面双曲面球面

Sn0

Sn

z

Sn

z

Sn

z

S

0精密干涉传感技术与应用

非球面的性质

2.

法线像差法线像差：非球面上任意一点处的法线与光轴的Px

R0

uC0

SnCxz非球面

交点和非球面顶点球圆心

之间的距离

法线像差：

Sn

C0C

z

xcotu

R0

nliudongopt@二次曲面与法线像差精密干涉传感技术与应用liudongopt@

非球面的性质

3.

R数和F数

R数：非球面顶点球曲率半径R0与口径D之比R0

DR/#

F数：非球面的焦距f与口径D之比

fDF

/#

抛物面精密干涉传感技术与应用双曲面

椭球面liudongopt@

非球面的性质

4.

二次曲面的无像差点

二次曲面的一对焦点属于光学共轭无像差点：当

点光源位于其中一个几何焦点F1时，所有被二次曲面

反射的光都严格相交于另一个几何焦点F2。零位检测非零位

检测非球面的实际面形Wfigure

Wdet

12

12Wasp

Wdet

SA12Wasp

Wdet

EretraceWasp

―

非球面面形SA

―

A点的非球面度

Eretrace―

回程误差

liudongopt@

Wfigure

―

面形

W

det―

探测器平面波前

S―

入射检测光线与最佳参考球交点

A―

入射检测光线与被测非球面交点

S’―

从被测非球面返回的检测光线与最佳参考球的交点精密干涉传感技术与应用E

与

SA

回程误差

retrace

被检测对象

及检测系统有关，是无S'A

SA

什么是零位检测？

通过设计辅助镜或补偿镜来完全补偿被测非球面

的理论形状的法线像差，将入射的平面波转化成与非

球面理想形状一致的波前。PBS¼

Wave

PlateReference

Mirror

BeamExpenderPolarizer

Laser精密干涉传感技术与应用

Image

MirrorCCDASP补偿镜理想情况

liudongopt@

无像差点法

利用二次曲面光学共轭点的性质，借助辅助平面或球面反射镜完成对非球面的检测。

抛物面精密干涉传感技术与应用双曲面

椭球面liudongopt@结构简单，测量方便灵敏度高，检测精度较高仅限于测量二次曲面非球面精密干涉传感技术与应用liudongopt@

无像差点法—测凹抛物面镜精密干涉传感技术与应用liudongopt@

无像差点法—测椭球面和双曲面

零位补偿镜检测技术

设计零位补偿器作为辅助元件，使光波经过补偿镜后形成的像差能够完全补偿非球面的法线像差，从而产生与理想非球面形状一致的波前。实现对大口径凹非球面的高精度检测，精度达λ/100补偿镜的设计难度大，加工过程繁琐，调装要求高PBS¼

Wave

PlateReference

Mirror

BeamExpenderPolarizer

Laser精密干涉传感技术与应用

Image

MirrorCCDASP补偿镜理想情况

liudongopt@精密干涉传感技术与应用liudongopt@Offner补偿镜

零位补偿镜检测技术

-

常用的零位补偿镜

Dall补偿镜精密干涉传感技术与应用liudongopt@

计算全息零位检测

利用衍射光学元件，产生全息图CGH代替零位补偿镜，将入射光某一级次转化为与理想被侧面匹配的波前，起到与零位补偿镜类似的作用。精度与零位补偿镜相持测量速度快、结构简单CGH基片制作困难，通用性差CGH图样精密干涉传感技术与应用liudongopt@

计算全息零位检测

-

CGH测量NTS离轴抛物面精密

S’―

从被测非球面返回的检测光线与最佳参考球的交点Eretrace―

回程误差

非零位检测零位检测非零位

检测非球面的实际面形Wfigure

Wdet

12

12Wasp

Wdet

SA12Wasp

Wdet

EretraceWasp

―

非球面面形SA

―

A点的非球面度

liudongopt@Wfigure

―

面形

W

det―

探测器平面波前

S―

入射检测光线与最佳参考球交点

A―

入射检测光线与被测非球面交点

干涉传感技术与应用通用性差装调困难成本高昂'A

SAE

与

SA

回程误差

retrace

被检测对象S及检测系统有关，是无

法通过显式表达出来的。

长波长干涉检测

光波的波长越长，干涉条纹数越少

0.6328μm精密干涉传感技术与应用1.064μm

10.6μmliudongopt@常用光源：CO2激光器精密干涉传感技术与应用liudongopt@

高密度探测器检测32*3264*64128*128256*256512*512精密干涉传感技术与应用128*128256*256

512*512liudongopt@64*64精密干涉传感技术与应用liudongopt@

子孔径干涉检测

将被侧面划分为若干区域，对每个子孔径分别进行干涉检测，最后对每个子孔径进行拼接处理。精密干涉传感技术与应用liudongopt@

子孔径干涉检测每个子孔径的非球面度大为减小精密干涉传感技术与应用liudongopt@

子孔径干涉检测精密干涉传感技术与应用liudongopt@

子孔径干涉检测

-

倾斜波前干涉检测

在传统干涉光路中引入微透镜阵列，将入射波前分割为具有不同倾角的子波前，减小每个子孔径的返回像差。精密干涉传感技术与应用liudongopt@

部分补偿干涉检测

使用部分补偿透镜PNL，将入射波前转化为接近非球面的形状而非完全匹配。

降低波前检测斜率

扩大非球面检测范围

提高系统检测通用性消球差透镜PNLPNL

非球面零位检测

-

无像差点检测

-

零位补偿检测

-

计算全息检测

非球面非零位检测

-

长波长干涉检测

-

高密度探测器检测

-

子孔径干涉检测

-

部分补偿干涉检测

…精密干涉传感技术与应用

检测精度高二次曲面

需辅助元件

通用性较差

通用性较强

动态范围大

误差标定困难

liudongopt@零位检测非零位

检测非球面的实际面形Wfigure

Wdet

12

12Wasp

Wdet

SA12Wasp

Wdet

EretraceWasp

―

非球面面形SA

―

A点的非球面度

Eretrace―

回程误差

liudongopt@

Wfigure

―

面形

W

det―

探测器平面波前

S―

入射检测光线与最佳参考球交点

A―

入射检测光线与被测非球面交点

S’―

从被测非球面返回的检测光线与最佳参考球的交点精密干涉传感技术与应用E

与

SA

回程误差

retrace

被检测对象

及检测系统有关，是无S'A

SA面形重构技术精密干涉传感技术与应用liudongopt@

二倍关系法(GDI)

将非球面当做球面进行检测结论：即使在小非球面度时，仍有较大误差！Wfigure

Wdet

12

零位：Wdet非零位：Wdet

(W

WWasp

det

det

').

理论波前法(TRW)

实际检测系统系统计算机模型

检测干涉图真实面形（未知）模型中的干涉图面形12Wdet

'

liudongopt@

Wdet

被测非球面的面形为精密干涉传感技术与应用精密干涉传感技术与应用liudongopt@

理论波前法(TRW)

逆向重构法(ROR)

实际检测系统系统计算机模型

检测干涉图真实面形（未知）模型中的干涉图面形

检测波前

模型中的波前

基于光学系统建模的逆向迭代优化面形重构(ROR)技术

D.

Liu,

T.

Shi,

L.

Zhang,

Y.

Yang,

Shen

Yibing.

“Reverse

optimization

reconstruction

of

aspheric精密干涉传感技术与应用liudongopt@

逆向重构法(ROR)PZTGuide

rail精密干涉传感技术与应用liudongopt@PNLMirrorAsperic

under

testBeamsplitterBeam

expanderLaser

CCDzI