大口径非球面及自由曲面面形误差及参数测量干涉仪研制

During the development practice of aerospace, astronomy and laser fusion system, the detection technology and instrument with high-precision, high-resolution and high-efficiency for aspherical and free-form surfaces are becoming the key problems to be solved in the process of optical component manufacturing and optical system assembly and calibration. In the previous research of the project, the measuring method of aspheric surface error was proposed that employs partial compensation lens and digital moiré phase-shift interferometry, which is favorable to measure aspheric surface with high-precision. In this application, the technical problems related to integral inspection of large-aperture aspheric and free-form surface error and parameters are to be mainly solved. The main research topics include: designing method of novel part compensation lens and the corresponding evaluation of the compensation ability of partial compensator; mathematical description method of surface error; measuring principle of surface parameters; the scheme of systematic calibration, error correction and instrumentation, etc. An aspheric and free-form surface testing instrument is to be developed with the technical qualification as follows. The aperture of tested surface (convex aspheric surface) is greater than 280 mm. The detection accuracy of surface error (PV or peak-to-valley value) is better than 1/14 of the wavelength. The relative measurement accuracy of curvature radius is 1/10000. This project aims at providing a testing instrument with high-precision for manufacturing large-aperture aspheric (especially convex aspheric) and free-form surface, and also promoting the development of relative technology in national defense and scientific fields.

航空航天、天文以及激光核聚变等系统的发展实践表明，非球面及自由曲面的高精度、高分辨、高效率检测技术及仪器是光学元件制造和光学系统装校过程中亟待解决的关键问题。本项目前期研究提出了部分补偿原理与数字移相干涉技术相结合的非球面面形误差检测方法，有利于非球面的高精度检测。本次申请项目拟重点解决中大口径非球面及自由曲面面形误差及面形参数一体化检测相关技术问题。主要研究内容包括：新型部分补偿镜设计方法及补偿能力评估，面形误差数学描述方法，面形参数测量原理，系统标定、误差修订及仪器化方案研究等。研制一台大口径非球面及自由曲面检测仪，技术指标为：被测面口径（凸非球面）大于280mm，面形误差检测精度PV值优于λ/14，曲率半径测量相对精度1/10000；为我国中大口径非球面（尤其是凸非球面）、自由曲面的制造提供高精度的检测仪器，促进国防及科技领域相关技术的发展。

非球面及自由曲面在科研、工业领域的光学系统中得到广泛应用，高精度非球面及自由曲面检测是光学系统制造、装调的基础。本项目研究基于部分补偿和数字莫尔移相干涉原理的非球面及自由曲面测量干涉仪。项目主要研究内容包括（1）仪器总体方案设计，（2）大口径凸非球面/自由曲面面形误差检测方法的原理，（3）面形参数误差测量原理及技术方案，（4）系统误差标定和修正方法，（5）干涉图频谱带宽扩展，以及（6）干涉仪仪器化及组装、调试、应用测试等方面。最终形成的成果包括：（1）研制了一台基于部分补偿原理的数字移相干涉仪样机，参数为：① 被测面口径=Φ280mm（凸非球面）；② 通光口径：Φ80mm；③ 测量重复性：λ/1536（RMS）；④ 面形误差测量精度PV = λ/21，RMS = λ/110；⑤ 曲率半径测量相对精度1/50,000；⑥ 离心率测量相对精度1/200，均达到或高于计划书要求。（2）提出了基于可变形镜的离轴折反式部分补偿镜用于自由曲面测量，共轴折反式部分补偿镜用于大口径凸球面测量；研制了集成MATLAB和ZEMAX的虚拟干涉条纹生成软件。（3）提出基于数字莫尔移相干涉最佳补偿位置原理的面形参数测量原理和相应算法，并研制了相应的消球差透镜组辅助检测装置。（4）提出了逆向优化的波前反演方法和算法，研制了相应的软件，用于面形误差处理和系统误差修正，具体包括回程误差、部分补偿镜装调误差、被测面装调误差的修正。项目在国内外重要学术期刊和学术会议上发表学术论文34篇，其中SCI检索论文19篇，Ei检索11篇，4篇即将Ei检索；参加国际学术会议14人次，其中2次特邀报告；出版非球面测量技术专著1本；授权发明专利2项，申请11项；培养博士生4名，硕士研究生7名，项目负责人郝群入选北京市教学名师，青年教师胡摇入选北京市高等学校“青年英才”计划。圆满完成了项目计划。项目提出的检测原理和方法，以及形成的非球面及自由曲面检测样机将为我国复杂面形检测、动态干涉测量走自主创新之路有重要推动作用。