大离轴量筒状超光滑非球面面形检测关键技术研究

大离轴量筒状超光滑非球面主要应用于软X射线/极紫外波段的掠射光学系统，是用于空间天气预报的软X射线望远系统的主要结构。面形检测是研制筒状非球面的关键和难点。目前，国内由于缺少筒状物镜非球面面形检测方法与设备已严重制约了我国软X射线空间探测望远镜及相关光学仪器设备的研制。光束干涉扫描方法是当前国际上用于非常规光学元件面形测量的先进技术之一。本项目重点针对掠射光学系统光学元件的面形检测需求，开展用于大离轴量筒状非球面面形进行测量的光束干涉扫描光学系统设计优化与结构工程化分析、各种误差对测量影响与校正、测量数据处理与表面3维面形重构等研究，掌握大离轴量筒状非球面面形检测技术，填补国内在相关领域的空白，提升我国空间软X射波段线望远系统的研发水平。此外，该技术的突破还可应用于软X射线显微镜及大规模集成电路制造所需极紫外投影光刻镜头的研制，为我国短波段光学相关研究领域赶超世界先进水平奠定坚实的基础。

大离轴筒状超光滑非球面是软 X 射线望远系统的主要结构，其加工制造水平严重制约着空间望远镜等相关光学设备探测精度的提升。本项目主要研究筒状非球面的检测方法,旨在通过检测技术的提升来提高该类面形的加工制造精度。主要研究内容包括：利用细光束干涉原理设计了一台三维扫描型长程轮廓仪，并通过理论分析、ZEMAX仿真和实验论证了该方案适合于筒状非球面面形检测；针对长程轮廓仪关键部件分束器，设计三种新的结构，理论和仿真证明新的分束结构能使长程轮廓仪获得更高的探测精度；利用ZEMAX软件设计了一种FT透镜，点列图和像差曲线表明设计结构满足三维扫描型长程轮廓仪测量精度要求；对三维扫描型长程轮廓仪的误差源进行了分类，并对其中影响较大的误差源进行了精确分析，同时提出了相应的校正方法；利用双臂旋滤波和阈值滤波对干涉条纹进行滤波,然后用二维导数符号二值法对条纹进行粗定位,用多项式拟合对条纹进行精定位,定位精度可达 0.1 个像素；在面形重构方面，选择梯形算法、辛普森算法、3/8辛普森算法以及两种三次样条插值等算法作为被测面面形重构算法,选择均方根RMS 、PV值、功率谱密度、自相关函数等作为被测面面形评价函数，通过模拟噪声状态下的筒状抛物面镜面形重构，得出梯形算法和样条插值算法（自然边界条件）是最适合长程轮廓仪的面形重构算法。本研究对于三维扫描型长程轮廓仪探测精度的提升、筒状非球面面形检测技术走向工程实用化具有重要意义。