基于波前传感法的光学自由曲面面形测量研究

摘要

光学自由曲面元件具有全新的设计理念,能简化系统结构、改善系统光学性能,因此在航空航天、通讯等领域得到了广泛应用。但光学自由曲面面形精度要求越来越高也给其制造带来困难,因此设计合理的方法进行自由曲面面形误差测量,成为该领域的一个关键问题。现有测量方式多采用接触探针式,虽然能够获得较高精度,但测量效率低且对工件有一定损伤性。相比之下,光学非接触式测量表现出更多的优势。波前传感器相比干涉仪具有结构简单、体积小、价格低、实时性强等优点,因此,本文基于夏克-哈特曼波前传感器(Shack-Hartmann Wavefront Sensor,SHWS),设计开发了一种光学自由曲面面形测量系统。主要的研究工作如下:
　　1.在SHWS测量中,受微透镜阵列参数、透镜尺寸、网格划分和光斑位置等的限制,其动态范围一般较小,为满足测量大曲率自由曲面的要求,在传统像素强度加权平均法求取质心的基础上,提出了一种基于图像处理的连通域质心计算方法,准确求取任意光斑的质心坐标,重新归位后测量的动态范围增大了约4倍且仍有提高的空间。
　　2.为满足光学自由曲面面形测量要求,需要根据测量的反射波前推导面形数据,基于光线追迹和等光程差原理,建立了反射波前数据到自由曲面面形的映射模型,通过实验分析证明其转换精度优于传统算法约2-3倍。
　　3.分光棱镜作为反射系统中不可缺少的元件会产生波前畸变,从而引入测量误差,本文从几何光学的光传播理论出发,对这一误差进行了建模仿真,提出了误差补偿方案,仿真验证了方案能够消除大部分误差。
　　同时,通过光学仿真和实际实验分析,确定了测量系统的物理极限,编写了波前重建及测量程序,探讨了光学系统的装调等关键问题,最终实现了一种典型光学自由曲面—立方相位板面形的测量,通过和Veeco白光干涉仪的测量数据对比验证了实验系统测量的准确性。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2光学自由曲面概述

1.3波前传感技术的发展和现状

1.4课题来源及研究内容

1.5本文研究内容介绍与安排

第二章 SHWS工作原理

2.1夏克-哈特曼波前传感器的测量原理

2.2夏克-哈特曼波前传感器的物理极限

2.3光斑质心的计算

2.4波前重建算法

2.5本章小结

第三章 基于SHWS的自由曲面面形测量系统仿真

3.1测量系统的光路设计

3.2测量系统的Zemax仿真

3.3测量动态范围的增大

3.4反射波前到面形的映射模型建立

3.5分光棱镜引入误差的分析与建模

3.6本章小结

第四章 自由曲面面形测量实验验证

4.1测量系统的搭建

4.2测量系统的标定

4.3测量系统的装调

4.4立方相位板面形测量

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢