基于超精密回转扫描的大口径非球面测量技术研究

摘要

随着光学加工和检测技术的不断发展，大口径范围深度非球面光学元件已成为天文光学、空间光学和地基空间目标探测与识别、激光大气传输、惯性约束聚变（ICF）等领域中起支撑作用的关键部件之一。制约大口径非球面镜加工水平的关键，则取决于与制造要求相适应的检测方法和仪器。对于传统的接触式测量法，其致命缺陷是易于划伤光学元件的表面；而非接触式测量法中，全口径干涉法和子孔径拼接干涉法也因补偿透镜制作困难和拼接过程易产生误差累积等因素的影响而无法满足大口径范围深度非球面镜的加工需求，因此，开发和研制一种高精度、非接触式的大口径非球面测量系统势在必行。
　　课题“基于超精密回转扫描的大口径非球面测量技术研究”的目的是在基于f-θ透镜系统的大型非球面测量技术基础之上，探讨研究一种高精度、非接触式的近平面大口径非球面三维轮廓回转扫描测量技术，以二维位相板生成的衍射准直光束为测量基准光束，并以衍射光斑的暗线为位移基准，用超精密直线气浮导轨实现扫描光束的精确定位，大口径非球面镜的回转运动由超精密气浮转台实现。本课题为解决大口径近平面非球面三维轮廓测量技术中的高精度和非接触问题开拓了一种有效的技术途径，并为研究真正意义上的大口径范围深度非球面测量技术提供了有力的理论依据和先期的准备工作。本课题的研究，在大型同步辐射用非球面镜、柱面镜以及细长型光学表面的三维轮廓测量中也有广泛的应用前景。
　　本文首先从衍射型长程轮廓仪(LTP)的工作机理入手，分析了基于衍射准直技术的f-θ透镜系统的基本特征，并结合测量装置的实际结构，分析了影响系统斜度测量精度的各因素，为将衍射型 LTP进一步拓展到大口径非球面测量技术中奠定了坚实的理论基础。
　　为实现大口径非球面的三维轮廓检测，提出了一种基于超精密回转扫描的大口径非球面测量系统。该系统通过将超精密直线运动和超精密回转运动有机合成，以实现被测表面的回转扫描测量，充分利用了回转基准运动精度高的技术优势，可大大减小由运动机构引入的斜度测量误差。
　　针对三维轮廓测量要求，提出了一种二维斜度光学扫描头结构。该扫描头包含两个可分别对径向及切向斜度进行测量的子扫描头，并能够对测点处的二维斜度信息进行同步采集，两个子扫描头中的误差补偿光路均能够实时、动态补偿由激光束角漂引起的斜度测量误差，进而有效减小由激光束角漂引起的三维轮廓测量误差。
　　结合基于超精密回转扫描的大口径非球面测量系统的结构组成，以矩阵光学和向量形式的折、反射定律为理论基础，分析了各误差因素对二维斜度测量的影响机理，并进一步对各误差因素的权重进行了比较，从而为系统研制过程中各部件的加工和选型提供了可靠的理论依据。
　　为了减小衍射光斑的平滑过程引入的斜度测量误差，研究了一种曲线窗口旋滤波方法，并将滤波效果与传统滤波方法进行了比较，分析结果表明：曲线窗口旋滤波方法在有效滤除图像噪声的同时，能够较好地保持衍射光斑暗线区域的光强分布特征，进而减小测量及参考光斑的亚像素定位误差。同时，为了选择高精度的数值重构方法，提出了一种对不同数值方法在频域内进行比较的评定方法，进而为选择重构精度高、噪声抑制能力强的数值方法提供了理论依据，有利于轮廓测量精度的提高。
　　最后，根据预研目标，研制了基于超精密回转扫描的大口径非球面测量系统样机，并对样机进行了实验测试。实验中选择了直径为50mm的平面镜作为被测对象，并将样机的测量结果与国际上轮廓测量水平较高的AK100菲索干涉仪进行比对，比对结果为：PV值=0.1λ，RMS值=0.05λ，从而验证了基于超精密回转扫描的大口径非球面测量方案的可行性。

目录

基于超精密回转扫描的大口径非球面测量技术研究

STUDY ON MEASURING LARGE APERTUREASPHERIC SURFACE TECHNIQUE BASED ONULTRA-PRECISE ROTARY SCAN

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 大口径非球面测量技术的国内外研究现状

1.2.1 接触式扫描测量法

1.2.2 干涉测量法

1.2.3 子孔径拼接干涉测量法

1.3 轮廓扫描测量法及其在大型非球面测量中的应用

1.3.1.1 长程轮廓仪的发展历程 1982年，Bieren将两臂固定的迈克尔逊干涉仪引入扫描轮廓仪，提出了光笔干涉仪的基本结构，参见图1-15，此时探测器上接收到的图样为干涉条纹，大大提高了轮廓仪的分辨力。该系统无需参考平面和高质量大孔径入射波前，对具有轴对称或旋转对称结构的非球面光学元件的线轮廓测量达到了较高的测量精度（±6nm）[27,28]。

1.4 大口径非球面轮廓测量方法目前存在的问题

1.5 课题来源及主要研究内容

第2章 衍射型长程轮廓仪分析

2.1 引言

2.2 衍射型LTP的基本工作原理及特征分析

2.3 衍射准直技术

2.4 基于衍射准直技术的f-θ透镜系统分析

2.5 测量光斑的光强分布

2.6 误差分析及误差补偿光路

2.6.1 系统误差分析

2.6.2 随机误差分析

2.6.3 误差补偿光路的工作机理分析

2.7 本章小结

第3章 大口径非球面的回转扫描测量技术

3.1 引言

3.2 基于f-θ透镜系统的LTP特性总结

3.3 基于超精密回转扫描的大口径非球面测量系统

3.3.1 测量系统的结构组成

3.3.2 二维斜度扫描头的光学系统结构及基本工作原理

3.3.3 二维斜度扫描头的误差补偿光路作用分析

3.3.4 二维位相板生成的衍射光斑图样

3.3.5 整个测量系统的基本工作原理

3.4 本章小结

第4章 各项误差因素对斜度测量的作用机理分析

4.1 引言

4.2 影响斜度测量的误差因素

4.3 五角棱镜的光束折转特性分析

4.3.1 五角棱镜角位移引起的返回测量光束的方向特性

4.3.2 五角棱镜角位移引起的出射光束方向特性

4.3.3 基准光束角漂引起的出射光束方向特性

4.4 扫描头中关键光学部件及其组合的光束折转特性

4.4.1 分光镜、反射镜及其组合的光束折转特性

4.4.2 直角棱镜的光束折转特性

4.4.3 子扫描头的光束折转特性

4.5 系统误差分析

4.5.1 光学元件的制造误差和定位误差

4.5.2 由对中误差引起的零点误差

4.6 随机误差分析

4.6.1 直线气浮导轨的运动误差

4.6.2 基准光束的角漂误差

4.6.3 气浮转台回转主轴的空间回转误差

4.6.4 测点位置误差

4.6.5 空气随机扰动和温度误差

4.7 误差分析总结

4.8 本章小结

第5章 相关数据处理方法的研究

5.1 引言

5.2 相关函数拟合极值法及其在衍射光斑定位中的影响因素

5.2.1 相关函数拟合极值法

5.2.2 影响二维位相板衍射光斑亚像素定位精度和计算效率的因素

5.2.3 实验验证

5.3 直线窗口旋滤波方法

5.3.1 旋滤波的基本原理

5.3.2 双臂旋滤波

5.4 曲线窗口旋滤波方法

5.4.1 条纹连续方向场的获得

5.4.2 确定条纹等值线曲线窗口

5.4.3 曲线窗口旋滤波

5.5 轮廓高度数值重构算法的研究

5.5.1 数值积分方法

5.5.2 数值积分方法的频率响应函数

5.5.3 不同积分方法的比较

5.6 本章小结

第6章 样机研制及测试比对

6.1 引言

6.2 预期研究目标

6.3 基于超精密回转扫描的大口径非球面测量系统的研制

6.3.1 二维位相板的制备及其生成的衍射光斑

6.3.2 光学系统

6.3.3 支承与运动系统

6.3.4 样机总体结构

6.4 样机调试

6.4.1 CCD的在焦调整

6.4.2 测量与参考光斑的初始位置调整

6.4.3 气浮转台回转中心与扫描光束的对准调整

6.4.4 气浮转台回转主轴与扫描光束的倾角调整

6.5 样机的工作流程

6.6 样机的测试内容及结果分析

6.6.1 测试环境条件

6.6.2 扫描头的非线性误差

6.6.3 斜度测量的稳定性

6.6.4 气浮转台回转主轴的角摆

6.7 不确定度分析

6.7.1 斜度测量的误差来源及标准不确定度

6.7.2 斜度测量的合成标准不确定度

6.7.3 斜度测量的扩展不确定度

6.7.4 轮廓高度测量的标准不确定度

6.7.5 轮廓高度测量的扩展不确定度

6.8 与AK100 Fizeau干涉仪的比对

6.9 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

学位论文原创性声明

致谢

个人简历