光学自由曲面的部分零位像散补偿型干涉检测技术研究

摘要

光学自由曲面相对于传统的球面与非球面失去了旋转对称性，有更高的设计自由度，可以更好地校正离轴像差，使光学系统朝着高像质与小型化的方向发展。目前，随着光学精密加工技术的快速发展，光学自由曲面已在成像系统尤其是离轴反射式相机中得到了应用，对自由曲面面形的高精度检测技术提出了迫切的需求。自由曲面相对最佳拟合球面的偏差较大，经其反射后的测试光束具有较大的发散性，现有干涉测试技术还不成熟。 本文提出了一种部分零位像散补偿型干涉检测技术，不使用任何零位补偿元件，可以检测以像散为主要面形成分的一类凹自由曲面元件。该方法通过将待测自由曲面旋转一定的角度来补偿其面形中的像散成分，从而有效地控制测试光路的发散程度形成干涉条纹能够被分辨的部分零位干涉图。根据部分零位干涉图，结合干涉光路的精确建模，利用逆向优化重构技术重构自由曲面面形误差中的低频成分，采取高频回溯技术重构自由曲面面形误差中的高频成分，继而重构出待测自由曲面的面形误差。 本文对部分零位像散补偿型干涉检测技术进行了理论分析、干涉系统设计、仿真验证与建模误差分析、实验验证与误差分析。对口径为44 mm、基底球面半径为503.44mm、相对最佳拟合球面偏差PV值为3.953μm、像散补偿后PV值为0.549μm的泽尼克多项式自由曲面进行了检测。检测结果与计算全息零位检测结果一致，验证了该方法的正确性。对于以像散为主要面形成分的这一类型自由曲面，可以根据像散量的大小针对性地优化倾斜角度来补偿不同的像散成分，具有“一对多”的特性。因此，该方法相对于仅能满足与“一对一”检测的计算全息法不需要任何零位补偿元件，具有较高的灵活性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 逐点扫描法

1．2．2 相位测量法

1．2．3 干涉法

1．2．4 研究现状小结

1．3 论文主要研究内容

2 部分零位像散补偿型干涉检测技术基础理论

2．1 像散补偿理论

2．1．1 倾斜光焦度

2．1．2 科丁顿方程

2．2 最优化倾斜角

2．3 逆向优化重构技术

2．3．1 基于泽尼克多项式表征的自由曲面

2．3．2 逆向优化重构自由曲面面形

2．4 本章小结

3 部分零位像散补偿型干涉检测系统

3．1 待测自由曲面呵形分晰

3．2 部分零位像散补偿型干涉系统光路构建

3．2．1 部分零位像散补偿型干涉光路整体布局

3．2．2 像散补偿光路设计

3．3 部分零位像散补偿型干涉检测系统精确建模

3．4 光学自由曲面面形重构算法

3．5 本章小结

4 自由曲面面形重构算法仿真与干涉系统建模误差分析

4．1 自由曲面面形重构算法仿真分析

4．1．1 自由曲面面形重构算法仿真验证

4．1．2 自由曲面面形重构算法通用性分析

4．2 部分零位像散补偿型干涉检测系统建模误差分析

4．2．1 元件间隔误差分析

4．2．2 待测自由曲面倾斜角度误差分析

4．2．3 面形建模误差分析

4．2．4 待测自由曲面姿态建模误差分析

4．3 本章小结

5 部分零位像散补偿型干涉检测技术实验验证与误差分析

5．1 部分零位像散补偿型干涉检测系统实验布局

5．2 待测自由曲面面形误差重构

5．2．1 逆向优化重构待测自由曲面面形误差中的低频成分

5．2．2 高频回溯重构待测自由曲面面形误差中的高频成分

5．3 实验误差分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文工作的总结

6．2 本文的主要创新点

6．3 不足与展望

致谢

参考文献

附录