大型非球曲面在位横向剪切干涉检测方法与关键技术研究

摘要

非球面优良的光学性质使其在许多领域的应用具有不可替代性。长期以来,非球面的超精密加工和检测仍然存在许多困难,尤其是中、大型非球曲面,不但加工精度难以控制,而且成本高、效率低;一块φ300～φ600mm的非球面镜至少需3～6个月的制造周期,主要耗时在反复的检测与研抛过程,特别是优于λ(λ=0.6328μm)面形精度大镜检测,要求条件十分苛刻,重复性差是关键问题之一。单点金刚石车削(SPDT)方法加工中、大型非球曲面具有效率相对较高、重复性好等优点,而加工精度通常在亚微米-微米级;除控制和减小加工工艺系统的各种误差之外,建立一套非球面加工过程中在位检测系统,把检测结果适时反馈给机床数控系统,并采取面形加工误差直接补偿的方法加工非球面会有效地提高加工精度和效率,因此,在位工艺过程检测技术是实现非球面超精密、高效加工的核心技术之一。
　　横向剪切干涉仪具有共光路、不需要参考面、灵敏度可调等优点,因此,抗振性能良好,对检测环境要求相对较低,并且适用于大像差波前检验,同时这也是将其用于非球面加工过程中在位检验的原因之所在。目前,大口径非球面加工过程中大都采用传统的傅科刀口阴影法(Foucault knife-edge test)或面形轮廓法检测,前者虽然灵敏度高,却难于给出定量结果,而后者当工件口径较大时,效率就会降低,而且检测精度也随着口径的增大而降低;对于非球面横向剪切干涉检测而言,影响检测精度的主要因素是非球面度及其变化率;非球面度不大的大口径非球面,在加工过程中可直接利用横向剪切干涉仪检测,而当非球面度增大时,可采取相应的回程误差补偿措施,会加大检测范围。
　　因此,本文针对大型非球曲面超精密车削加工过程中的检测问题,提出一种大型非球曲面在位非零位横向剪切干涉检测的方法,并对其有关理论和关键技术展开如下的研究。
　　研究横向剪切干涉和波前重建的基本原理,分析横向剪切干涉图的处理方法、相位解包裹算法,并对基于横向剪切干涉图的波前重建算法进行比较研究,确定适合大型非球曲面加工过程中在位非零位横向剪切干涉检测的波前重建算法,为进一步研究奠定理论基础。
　　通过数值计算分析非球面非零位检测中三种典型的非球面度及其变化率之间的关系,给出在位非零位横向剪切干涉检测非球面时,最接近比较球面的确定方法;研究利用不同测试波前非零位横向剪切干涉检测非球面的原理性误差(即回程误差),分析影响原理性误差的因素,以及减小该误差的方法,并对检测误差进行估计;在以上研究的基础上,给出在位非零位横行剪切干涉检测非球面加工误差的确定方法。另外,还针对三种典型的非球面度,进行非零位检测非球面波前的数值模拟分析。进而从理论上证实在位非零位横向剪切干涉检测非球面的可行性、检测精度及应用范围。
　　针对在位非零位横行剪切干涉检测非球面的波前重建,利用数值模拟的方法,对基于正交方向上的一对剪切干涉图的波前重建算法进行了研究,比较分析基于Zernike多项式拟合的最小二乘法和系数转换法,得出剪切量和多项式拟合阶数分别对两种算法波前重建精度的影响。提出在实际检测中,根据测试波前与理想非球面的偏差,针对两种波前重建算法预先确定最佳的剪切量和多项式拟合阶数,或者根据所获得的剪切干涉图已有的剪切量,预先确定最佳的多项式拟合阶数及相应的波前重建算法,从而精确的重建出被测波前。研究表明,差分波前拟合的精度高并不代表最终被测波前的拟合精度就高,影响拟合精度的主要是多项式拟合阶数;当取正交方向上的两个剪切量不相等时,分别根据两种波前重建算法,恰当的选取多项式拟合阶数,重建的精度是可以保证的。以上研究为波前重建算法应用于实际检测提供了有力的支撑。
　　在以上理论研究和数值模拟分析的基础上,首先对一单点金刚石车削的抛物面反射镜进行非零位横向剪切干涉检测实验,提出并实验验证横向剪切干涉检测装置的系统误差的确定方法;作为比较,还利用Zygo干涉仪(非零位检测)和Taylor Hobson轮廓仪对同一抛物面反射镜进行检测实验,并对以上检测方法的误差进行了分析。实验结果验证了大型非球曲面在位非零位横向剪切干涉检测的可行性、检测精度及应用范围。
　　在以上理论研究和实验验证的基础上,针对大型非球曲面超精密车削加工过程中的在位检测问题,设计了一种新型的基于马赫-曾德尔干涉仪的相移横向剪切干涉检测系统,以及检测系统软件的主要功能方案;分析研究了在位工艺最接近球面曲率半径的测量方法,并给出了零条纹的定量判据;设计了大型非球曲面超精密车削加工过程中在位横向剪切干涉检测系统的总体结构,并对大型非球曲面超精密加工与在位检测一体化制造工艺进行了分析和设计。本文提出的检测系统和方法同样适用于大口径球面镜的加工过程中在位检测。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2大型非球曲面检测技术的国内外发展状况

1.3 相移技术在干涉仪系统中的应用

1.4 目前大型非球曲面检测存在的问题

1.5 本课题的主要研究内容

第2章 横向剪切干涉与非零位检测方法理论

2.1 引言

2.2 横向剪切干涉与波前重建的基本原理

2.3 横向剪切干涉条纹图像处理方法

2.4 基于横向剪切干涉图的波前重建算法

2.5 非球面非零位检测方法理论

2.6 非零位检测非球面波前数值模拟分析

2.7 本章小结

第3章 基于横向剪切干涉图的二维波前重建算法

3.1 引言

3.2 泽尼克多项式波前拟合

3.3 基于泽尼克多项式拟合的最小二乘法

3.4 基于泽尼克多项式拟合的系数转换法

3.5 两种波前重建算法的比较

3.6 正交方向上的两个剪切量不相等时的二维波前重建

3.7 本章小结

第4章 非球面非零位检测实验研究

4.1 引言

4.2 被测非球面反射镜的工艺参数

4.3 面形加工误差的评价参数

4.4 非零位横向剪切干涉检测非球面实验

4.5 利用Zygo干涉仪非零位检测非球面实验

4.6 Taylor Hobson轮廓仪检测非球面实验

4.7 以上检测方法的误差分析

4.8 本章小结

第5章 大型非球曲面在位横向剪切干涉检测系统研究

5.1 引言

5.2 超精密车削加工机床简介

5.3 横向剪切干涉仪设计方案

5.4 大型非球曲面在位横向剪切干涉检测系统总体设计

5.5 大型非球曲面超精密加工与检测一体化制造工艺设计

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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