彩色共聚焦测量系统光学设计与实验研究

摘要

日益严苛的加工工艺对测量精度和速度提出更高的要求，传统激光共聚焦技术虽然能够实现较高的测量精度但在测量速度方面难以满足加工检测需求。彩色共聚焦技术免除了激光共聚焦轴向扫描过程，相较于激光共聚焦技术具有测量速度的优势，更适用于微米级别测量精度需求的产线检测。
　　彩色共聚焦系统的轴向测量范围和轴向测量精度主要由色散物镜的轴向色散能力和数值孔径值决定。为了提高彩色共聚焦系统的轴向测量精度，需要选用更大数值孔径值的色散物镜，但数值孔径值的增加会导致色散物镜的轴向色散范围缩小。一般需要针对不同的测量需求设计不同参数的色散物镜，研发面向不同测量对象的彩色共聚焦系统时，这一情况会导致设计过程复杂且成本较高。为了解决这一问题，提出一种具有可切换色散特性的色散物镜设计方法，对研发通用型的彩色共聚焦系统具有重要的实际意义。
　　本文针对通用型彩色共聚焦测量系统研发时色散物镜设计的繁冗问题，以实现系统测量性能的快速切换为主要研究目标，主要研究彩色共聚焦系统光学设计和实验研究，具体研究工作如下：
　　（1）设计一款彩色共聚焦的色散位移透镜，能将色散和聚焦有效分离，通过更换不同NA值物镜的方式改变测量系统的聚焦能力，从而实现系统轴向测量范围和测量精度的调制。对比分析折射和衍射色散方式，选取纯球面折射透镜组的方式设计色散管镜，通过 ZEMAX对所设计的色散管镜进行仿真，获得其在480nm至780nm波长光范围内的轴向线性色散范围大于230mm，加工装配后的色散管镜的轴向线性色散范围可达到160mm。
　　（2）搭建彩色共聚焦光学平台实验系统，将色散管镜和聚焦镜相结合，通过更换不同聚焦物镜，实现了轴向线性色散范围的快速切换。采用4倍物镜(NA=0.1)时，获得1300μm的轴向测量范围和2μm的轴向分辨率。采用10倍(NA=0.3)物镜时，获得225μm的轴向测量范围和0.4μm的轴向分辨率。实验结果表明，色散聚焦分离的设计方案可以通过更换物镜实现轴向测量范围从毫米级至微米级的快速切换。
　　（3）以色散物镜设计方案为基础，采用色散管镜结合10倍（NA=0.3）物镜搭建了彩色共聚焦测量系统，实现了轴向测量功能；分析并改进了光谱信号中心波长提取算法，研究了抑制光路系统噪声干扰的技术方法，提高了系统的轴向测量性能。

目录

声明

第1章 引言

1.1 课题来源

1.2 课题背景

1.3 彩色共聚焦国外研究现状

1.4 彩色共聚焦国内研究现状

1.5 课题研究思路

1.6 本文主要内容

第2章 彩色共聚焦测量原理

2.1 彩色共聚焦与激光共聚焦的测量原理

2.2 彩色共聚焦系统性能分析

2.3 本章小结

第3章 色散物镜设计与验证

3.1 色散物镜设计主要参数

3.2 色散物镜设计

3.3 可调制性能色散物镜设计

3.4 色散管镜设计

3.5 色散物镜实验

3.6 本章小结

第4章 彩色共聚焦系统搭建

4.1 系统描述

4.2 系统硬件选型与组装

4.3 系统轴向标定

4.5 本章小结

第5章 彩色共聚焦测量系统实验研究与分析

5.1 量块阶梯高度测量

5.2 中心波长提取算法分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 本文的主要创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

个人简历、在校期间发表学术论文和研究成果