光学非球面多方法组合测量技术研究

摘要

惯性约束聚变、深空观测探索、对地高分观察等大型光学项目的迫切需求和快速发展促进了大口径复杂光学非球面镜的广泛应用，面形误差作为决定光学成像质量的关键因素，其测量准确性也决定了项目的成败。尽管面形测量方法逐渐发展丰富并各具特色，但每种方法仍有局限，单一方法的测量结果不足以说明问题。采用多种方法对测量结果进行互检验证，并针对被测对象的特点实施测量方法间的优势互补，是一种可行的思路。本文以大口径高次凸非球面为研究对象，采用适用性较广的全口径正面补偿检验，背面透过补偿检验和子孔径拼接等方法实现面形的多方法检测，研究了面形的匹配分析与量化评价方法，以提高测量结果的可信度。
　　论文研究内容主要包括4个方面：
　　1．背面透过补偿检验的光学设计与实现。根据被测面形背面透过成像特点，设计单块补偿透镜实现检验，首先分析确定了补偿器的加工公差，然后利用干涉仪、球径仪等设备对补偿器的面形和中心厚度等参数进行了检测，通过基于短相干原理的间隙仪控制装调距离实现了光路的精细装调；最后对误差因素进行了全面分析，估计了设备测量精度以及材料误差对测量结果的影响，并利用Zernike多项式拟合方法分离了面形制造偏差的影响。
　　2．可变补偿拼接测量装置的改进与装调测量。根据测量原理和装调方法对可变补偿拼接测量系统的装调自由度进行需求分解，为各自由度设计独立对应的调整装置。设计三环调整装置，实现可变补偿CGH相位板的四维调整，光轴方向紧凑、通光孔径大等优势明显。补充设计完善了可变补偿装置转台、被测镜的装调自由度，装调效果和效率得到了检验。
　　3．正面补偿检验的设计与分析。设计了大口径非球面补偿器对凸非球面镜进行正面补偿检验，其自身参数通过 Offner补偿器校验，该方法适用于不透光材料的凸非球面反射镜。在补偿检测和校验光路中非球面补偿器具有同光路特性，避免了大口径光学材料的均匀性对像差的不利影响，并对测量误差进行了分析。
　　4．多方法互检和量化评价方法研究。采用MATLAB优化工具箱实现多种方法测量面形的空间旋转、平移和比例缩放7自由度配准，利用图像结构相似性指数研究测量一致性量化评价方法。同时尝试了利用贝叶斯分析改善确定测量不确定度。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题来源与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 凸非球面的背面透过补偿检验

2.1 补偿器设计与公差分析

2.2 补偿检验系统的光学对准

2.3 面形误差分离

2.4 本章小结

第三章 凸非球面的可变补偿拼接测量

3.1 可变补偿器的装调机构设计

3.2 测量系统的装调与误差自校准

3.3 可变补偿拼接测量实验研究

3.4 本章小结

第四章 凸非球面的正面补偿检验

4.1 非球面补偿器透镜的设计

4.2 非球面透镜的补偿器设计

4.3 测量误差分析

4.4 本章小结

第五章 面形误差多方法测量的互检

5.1 面形误差曲面的最优匹配

5.2 多方法互检的量化评价指标

5.3 多方法互检的不确定度建模研究

5.4 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果