通用数字化高精度非球面干涉检测技术与系统研究

摘要

由于非球面比球面可以提供更大的自由度，所以在光学系统中使用非球面可以缩小系统整体外形尺寸，减轻系统重量，改善像质等，从而提高系统的整体性能。然而，由于非球面形状及光学特性各异，非球面检测系统历来都是个难题。
　　 非球面的检测方法很多，主要有零位干涉检测法、非零位干涉检测法、轮廓法等。零位干涉检测法中的零位补偿透镜法及计算全息法等都是“一对一”型检测，虽然精度较高但无法实现通用化检测，且检测周期长，造价高；仅针对二次曲面的无像差点法需要至少一块口径大于被测非球面的辅助镜，虽具有一定通用性但辅助镜也极大地限制了其的应用。轮廓法的检测效率较低，并且接触式轮廓仪很容易将被测表面划伤。目前的非零位检测法，如长波长法、双波长法、剪切法等虽然一定程度上可以实现通用化检测，但由于非零位检测具有较大的回程误差，而大多都没有进行非零位误差校正，故精度较低。
　　 本论文主要研究可用于非球面通用、数字化的非零位干涉体系、波前补偿、面形重构、测量数据及图像处理技术等。该研究对非球面检测技术，特别是非球面的非零位通用、数字化检测技术具有重要的意义。主要研究内容有：
　　 论述了非球面检测，特别是通用化、数字化检测技术在光学测试及仪器等领域的重要意义。对国内外各种非球面加工及检测技术做了系统分析，提出了研究可用于非球面通用化、数字化检测技术的必要性。
　　 针对非零位检测中返回波前往往具有较大畸变的特点，提出了利用部分零位透镜对一定范围内非球面进行部分补偿。详细论述了部分零位镜的设计过程，分析了部分零位镜的特性，并进而建立一整套可实现非球面通用化检测的部分零位镜体系。
　　 研究了非球面非零位干涉检测中的回程误差问题。详细分析并推导了回程误差的表现形式及其对检测结果的影响。提出了初步校正非球面非零位检测中的回程误差的方法，并进行了实验验证。
　　 建立了能对被测非球面状态进行全面描述的状态矩阵，提出了基于最小二乘算法的非球面面形逆向迭代优化重构技术。并通过大量仿真计算，研究了该重构技术在面形检测方面的能力。
　　 提出了可用于非球面通用、数字化检测的光路布局及处理流程。对整个检测系统进行了系统建模，并通过大量计算机仿真实验，分析了应用逆向迭代优化及部分零位镜补偿进行数字化非球面非零位检测的误差问题，为实际检测系统的建模精度控制提供了有力指导。
　　 建立了基于Twymann-Green干涉体系的实验装置，对实际口径为159mm,顶点球半径为818.952mm的抛物面进行了检测，精度RMS值优于1/30波长，达到了预期的效果，并对整个处理过程进行了误差分析。
　　 对本文所做工作进行了总结，并分析了目前研究中存在的不足之处，对下一步的研究方向及方法提出了建议。

目录

文摘

英文文摘

致谢

图表目录

第一章 绪论

1.1 非球面检测技术研究的重要意义

1.2 国内外非球面检测技术研究进展

1.2.1 非球面零位干涉检测法

1.2.2 非球面非零位干涉检测法

1.3 本论文的主要研究方向及完成的工作

1.4 本论文的主要创新点

第二章 面向通用性、基于多约束函数的部分零位补偿透镜体系

2.1 非球面度及非球面的法线像差

2.1.1 非球面度

2.1.2 非球面的法线像差

2.2 非零位干涉检测的多约束部分零位补偿透镜设计

2.2.1 部分零位镜设计的约束控制

2.2.2 初始结构的选择

2.2.3 部分零位镜设计实例

2.3 系列化部分零位透镜体系实现非球面通用化检测

2.3.1 单个部分零位镜的补偿能力

2.3.2 系列化部分零位镜体系的建立

2.4 小结

第三章 非球面非零位干涉检测的原理误差分析与初级校正

3.1 传统非零干涉检测位相处理方法

3.2 非零位非球面干涉检测中的原理误差分析

3.2.1 轴向误差

3.2.2 坐标径向剪切误差

3.2.3 具有面形缺陷的非球面非零位检测的回程误差分析

3.3 非零位非球面干涉检测中原理误差的初级校正

3.3.1 初级校正原理

3.3.2 回程误差初级校正实验

3.3.3 初级校正讨论及误差分析

3.4 小结

第四章 通用、数字化非球面检测逆向迭代优化重构计算技术

4.1 非球面逆向迭代优化位相重构基本原理

4.2 非球面逆向迭代优化重构技术理论

4.2.1 光学元件波面的频率

4.2.2 Zernike多项式拟合频域分析

4.2.3 非球面逆向迭代优化面形重构计算技术模型

4.2.4 波面函数残差的处理

4.3 非球面逆向迭代优化重构技术计算机仿真

4.3.1 旋转对称非球面理想检测系统仿真

4.3.2 确知参数的实际非球面检测系统仿真

4.4 高次非球面检测系统计算机仿真

4.5 自由曲面检测系统计算机仿真

4.6 小结

第五章 非球面通用、数字化干涉检测系统方案确定、系统建模及建模误差分析

5.1 基本干涉检测原理的选择

5.2 干涉调制方式的选择

5.2.1 移相干涉技术

5.2.2 线性载波干涉技术

5.2.3 环形载波干涉技术

5.3 成像方式的选择

5.3.1 物像共轭

5.3.2 非球面通用化检测系统中的直接成像

5.3.3 非球面通用化检测系统中的间接成像

5.3.4 非球面通用化检测系统中的远心成像

5.4 非球面通用、数字化高精度干涉检测系统总体方案确定

5.4.1 非球面通用、数字化高精度干涉检测系统光路布局

5.4.2 系统输出参量及检测能力

5.5 非球面通用、数字化高精度干涉检测系统模型

5.6 非球面通用、数字化检测系统误差分析

5.6.1 间隔建模误差

5.6.2 面形建模误差

5.6.3 折射率建模误差

5.6.4 姿态建模误差

5.6.5 干涉图位相解调误差

5.7 小结

第六章 非球面通用、数字化干涉检测系统实验及误差分析

6.1 非球面通用、数字化检测系统实验布局

6.2 部分零位镜与非球面间隔的精确定位

6.3 通用、数字化非球面检测实验结果及误差分析

6.3.1 通用、数字化非球面检测实验结果

6.3.2 通用、数字化非球面检测实验误差分析

6.4 小结

第七章 总结与展望

7.1 本论文所完成的工作

7.2 本文的主要创新点

7.3 本通用、数字化非球面检测系统的可改进之处

7.4 结束语

参考文献:

作者简历及攻读博士学位期间所取得的科研成果

一、作者简历

二、发表及录用的论文

三、申请及授权的国家发明专利

四、参加的学术交流活动