光学自由曲面自适应非零位干涉检测技术研究

With great degrees of freedom, optical free form surfaces gradually becomes the favor of modern optical engineering. However，their application have been limited by its merology. Interferometry, as one of the most precise testing methods, has been developed in free form surface testing. But the testing accuracy and flexible arrange hinder many researchers due to its rotatable asymmetry. We propose the optical free form surface adaptive non null interferometry (FANNI), which introduce the adaptive aberration compensation into free form surface interferometry for its great degrees of freedom. It employs a deformable mirror (DM) to provide several low-order aberrations for flexible aberrations compensation for different surfaces. The adaptive feedback and retrace error correction based on FANNI ray tracing are employed with the assistant of DM calibration. The FANNI can achieve the flexible test for free form surfaces with high accuracy. It has considerable potential in testing mass of free form surfaces in industry.

光学自由曲面元件表面自由度大，其面形检测难度较大，已经成为制约其应用的最重要因素。虽然干涉法被公认为精度最高的光学元件检测手段，但囿于自由曲面的非旋转对称性，其干涉检测的精度和动态范围的矛盾一直困扰众多研究者。本项目提出了自由曲面自适应非零位干涉检测技术（FANNI），针对自由曲面的像差自由度特性，将自适应光学中可变形反射镜（DM）的动态像差矫正理念引入自由曲面干涉检测中，补偿自由曲面所导致的一部分低阶像差，形成大动态范围的非零位检测结构。利用FANNI系统精密光线追迹实现自适应反馈和回程误差校正，配合实际实验中DM形变像差标定与校准，在实现自由曲面的大动态范围检测的同时，保证了非零位检测精度。该方法有望实现面形连续的自由曲面的高精度通用化检测，在未来光学自由曲面工业化大批量检测中具有巨大潜力。

光学自由曲面元件表面自由度大，其面形检测技术已经成为制约其应用的最重要因素。虽然干涉法被公认为检测精度最高的光学元件检测手段，但囿于自由曲面的非旋转对称性，其检测精度和动态范围一直是困扰众多研究者的难题。本项目提出了自由曲面自适应非零位干涉检测技术（Free form surface adaptive non null interferometry，FANNI），针对自由曲面的像差自由度特性，将自适应光学中可变形反射镜（Deformable mirror, DM）的动态像差矫正理念引入自由曲面干涉检测中，补偿自由曲面所致的一部分低阶像差，形成非零位检测结构。利用FANNI系统精密光线追迹实现自适应反馈和回程误差校正，配合实际实验中DM形变像差标定与校准，在实现自由曲面的大动态范围检测的同时，保证了非零位检测精度。有望实现高精度通用化检测，在未来光学自由曲面的工业化大批量检测中具有巨大潜力。项目构建了完善的FANNI自适应反馈与回程误差校正机制。项目研究中建立了基于高精度系统光线追迹的 FANNI自适应反馈机制，可实现不同自由曲面地针对性像差补偿和同一自由曲面不同位姿误差的自适应补偿；同时基于该光线追迹模型实现回程误差的精确校正。同时，建立了一套FANNI原理性实验系统。构建一套原理性FANNI系统并完成系统校准（重点在于实际DM的形变像差标定与校准），研发一套自适应数据处理与控制系统以实现FANNI技术实施。另外，研究了利用单个DM的结构设计有效增大干涉仪动态范围的方法。最终实验可测的自由曲面偏离度达80μm，rms精度达5nm。