光学自由曲面共轭差分虚拟干涉测试技术基础研究

Because of the irregularity, the optical free-form surface test is one of the serious problems that limit the application of itself. Virtual interferometry is the technique that based on the numerical calculation of three measurement results with small shifts using wavefront sensor. And then it gives the differential data of the surface under test that can be retrieved with wavefront reconstruction technique. However, this Virtual Interferometry is based on the small divergence of the reflection wavefront. And it is necessary to carry out the shifting tests with the collimated wavefront incidence. Therefore, it is impossible to directly use this technique for the measurement of optical free-form surface. Conjugate Differential Virtual Interferometry is proposed in this project, which is especially for the freeform surface test. It combines the original Virtual Interferometry with wavefront manipulation techniques together. And it also contains the conjugate differential technique that is the symmetric shifting tests around the central position. The research content includes: (1) the route optimization of the Conjugate Differential Virtual Interferometry (2) using spatial light modulator realize converge of the reflection wavefront (3) obtaining the synthetic phase from the reconstruction of the wavefront (4) retrieving the freeform surface data from the synthetic phase. The project contains experimental test research of different kind optical free-form surfaces that is useful for the optimization of Conjugate Differential Virtual Interferometry. And the proposed research will offer the technical basis for the realization of optical free-form test.

由于面形不规则性而造成的光学自由曲面检测难题是制约其应用的关键问题之一。"虚拟干涉术"可以利用三次波前传感器错位测试结果进行数值运算，获取波面微分数据，再利用波面复原技术实现对待测件面形数据的重建。但是该技术是建立在反射光小发散度的基础上，并且错位测试必须在准直光路中进行，因此无法将该技术直接利用于对光波有发散作用的光学自由曲面的检验中。本项目对虚拟干涉术进行改进，提出"共轭差分虚拟干涉法"，融入波面控制及共轭差分技术，在控制波面发散度的同时，采用围绕中心的对称共轭错位测试法，实现光学自由曲面检验目的。项目研究内容包括：(1)共轭差分虚拟干涉测试法的设计及优化；(2)利用空间光调制器实现反射光波的收敛；(3)利用波面差分数据复原获得合成相位；(4)合成相位分项标定提取待测面形。通过不同类型光学自由曲面的测试研究，进一步优化共轭差分虚拟干涉测试方法，为解决光学自由曲面检验问题提供技术基础。

随着现代光学技术的发展，面形复杂具有独特光学性能的光学自由曲面得到了越来越多的关注，但由于面形不规则性而造成的光学自由曲面检测难题是制约其应用的关键问题之一。基于共轭双边测量的共轭差分干涉法可以通过共轭双边位置测量得到待测面的双边微分波面数据，并通过对微分波面的复原得到待测面的绝对面形。相比于差分法，共轭差分法省略了初始位置的测量，两正交方向测试过程相互独立、互不影响，简化了操作；同时，双边共轭差分提高了微分逼近的精度。本项目以光学自由曲面为测试对象，研究共轭差分干涉技术，实现光学自由曲面的绝对测量。围绕这一研究目标，主要研究内容包括：.研究共轭差分虚拟干涉法数理模型，设计并优化相关算法；研究基于空间光调制器的计算全息技术；研究基于共轭差分干涉的平面绝对技术；研究基于j计算全息的光学自由曲面零位检测技术；研究基于共轭差分虚拟干涉的柱面绝对检验技术。针对以上研究内容，研究出共轭差分虚拟干涉法的测试方法以及相关算法，并在仿真模型中引入各类实际测试过程中可能存在的几类误差源，获得其对测试结果的影响：研制了针对离轴非球面、柱面等自由曲面元件补偿检测用的计算全息元件，可以产生虚拟干涉波前；应用共轭差分法对一平面光学元件进行测量，得到该平面的绝对面形分布，并将其与传统的绝对测量方法三平面法的结果进行比对，两者结果相差0.2nm(RMS)；应用空间光调制器作为生成了计算全息相位图，产生特定相位波前；采用计算全息元件作为虚拟波面发生装置，应用共轭差分干涉法对一柱面光学元件进行测量，得到该柱面元件的绝对面形分布，并将其与轮廓仪的测试结果进行比对，RMS差值约9nm，优于1/70λ。本项目提出了新的光学自由曲面的绝对测量方法及装置，在实际测试中也表现出了极高的精度，促进了光学自由曲面在现代光学领域的进一步应用。