中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

光学自由曲面凭借面型多自由度的特点，能完成传统球面或非球面无法完成的像差矫正与光路整形，在光学系统中得到广泛应用，但其面型检测通常具有高难度。传统干涉检测法因待测自由曲面面型畸变过大，会导致干涉条纹发生缺失与畸变，难以直接实现精确的面形重建。针对该问题传统的方法是通过计算全息片来进行波前补偿，但检测一个面型就要设计一个与之对应的计算全息片，大大影响了检测效率。为解决上述问题，本文开展了基于薄膜变形镜的波前补偿干涉检测技术的理论与实验研究，系统地解决了从控制算法优化和性能评价体系构建到实验系统设计等一系列关键问题，并形成了完整的薄膜变形镜波前补偿干涉检测技术方案。主要研究内容如下：
(1) 分析了传统干涉仪在自由曲面检测中的局限，比较了计算全息法和液晶空间光调制器及薄膜变形镜三类波前补偿技术的优劣，明确了薄膜变形镜作为波前补偿器件。基于薄膜变形镜构建了变形镜控制与监测和干涉测量双模块的光学系统，并阐述了薄膜变形镜的压电驱动机制与波前调制原理。
(2) 针对变形镜直接与间接控制两种波前补偿场景，提出了优化控制策略和性能评价体系。在控制算法优化方面，直接条件下针对变形镜控制精度不足，收敛速度过慢，提出了SDA-ILC串联改进算法，在保证稳态精度同时将收敛速度提升约50%~67%；间接条件下提出了Adam-SPGD改进算法，在抑制梯度波动同时提升了全局优化能力。在控制性能评价体系方面，构建了分维度性能评价体系，直接从收敛速度与波前精度等四个维度进行量化评估，间接针对干涉条纹暗区恢复和稀疏化及近零优化三个阶段，设计了基于像素灰度与梯度的评价函数，为间接波前补偿优化提供明确导向。
(3) 进行了基于变形镜波前补偿干涉检测技术的仿真与实验验证。仿真方面，直接波前补偿验证了SDA-ILC串联改进算法的优越性，间接波前补偿验证了Adam-SPGD算法在基于条纹反馈波前补偿系统中具有良好收敛速度与鲁棒性。实验方面搭建了泰曼格林式干涉仪平台，以离轴抛物面为待测对象开展了直接与间接波前补偿实验。最终实验验证表明，通过波前补偿的间接检测与直接检测获得的面型偏差RMS均小于1/10λ，满足精密光学元件的亚波长级检测要求。
本文提出的基于薄膜变形镜的波前补偿干涉检测技术为传统干涉检测的局限提供了可行方案与理论支撑，本文的研究成果对推动相关元件的检测具有重要科学与工程价值。