發(fā)布時(shí)間：2020-11-20 16:56

　　 自由曲面光學(xué)元件因具有較多的設(shè)計(jì)自由度,可以提高光學(xué)系統(tǒng)性能,簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),逐漸成為了國內(nèi)外相關(guān)研究熱點(diǎn)。但同時(shí),多的表面自由度又使得其面形檢測(cè)變得十分困難,目前大部分的精密光學(xué)自由曲面檢測(cè)手段仍然沿用非球面檢測(cè)方法。條紋反射法作為一種有效的光學(xué)檢測(cè)手段,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)量速度快,同時(shí)不受被檢光學(xué)元件幾何面形的限制,為非球面、自由曲面的測(cè)量提供了一種新的思路。本文以實(shí)現(xiàn)自由曲面表面形貌的條紋反射檢測(cè)為最終目的,闡述了目前自由曲面檢測(cè)以及條紋反射鏡面檢測(cè)的研究現(xiàn)狀,對(duì)條紋反射檢測(cè)法展開深入研究。首先,通過推導(dǎo)相位與梯度的映射關(guān)系建立了檢測(cè)系統(tǒng)物理模型,給出了系統(tǒng)各參數(shù)的理論計(jì)算公式,其高度分辨率可以達(dá)到nm量級(jí),動(dòng)態(tài)范圍可到百萬。其次,進(jìn)行了條紋反射檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定技術(shù)研究,基于2D平面標(biāo)定靶的標(biāo)定原理完成了CCD相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)標(biāo)定,標(biāo)定板上特征點(diǎn)的重投影誤差RMS值為0.06 pixel;根據(jù)相機(jī)標(biāo)定結(jié)果,分別進(jìn)行了參考平面及LCD顯示屏的空間位置標(biāo)定,并給出了系統(tǒng)的幾何參數(shù)計(jì)算方法。然后,分析對(duì)比了十字路徑積分法、傅里葉全局積分法以及區(qū)域波前重建法三種常用的梯度數(shù)據(jù)積分方法,研究了一種基于Zernike正交多項(xiàng)式的面形重建方法,分析了不同項(xiàng)數(shù)及采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)重建結(jié)果的影響,選擇Zernike前36項(xiàng)系數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)為300進(jìn)行仿真模擬測(cè)量;以雙曲面為例進(jìn)行算法的有效性驗(yàn)證及噪聲等級(jí)變化分析,仿真結(jié)果表明:擬合面形殘差PV值為2.6645e-9nm,RMS值為4.6616e-10nm,且當(dāng)噪聲≤15%時(shí),算法適用性較好。最后,搭建了測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其橫向分辨率為107μm,視場(chǎng)大小約為132mm×98mm,使用該系統(tǒng)分別對(duì)平面反射、凹球面反射鏡以及自由曲面進(jìn)行條紋反射測(cè)量;平面鏡面形重建結(jié)果PV值和RMS值分別約為332nm和74nm,與Zygo干涉儀的測(cè)量結(jié)果接近;凹球面反射鏡面形矢高值與該球面鏡標(biāo)稱高度值測(cè)量誤差約為10%;同時(shí),本文所搭建的測(cè)量系統(tǒng)能夠恢復(fù)出被檢自由曲面的面形。研究結(jié)果表明了條紋反射法對(duì)自由曲面表面形貌檢測(cè)的可行性,為以后更高精度自由曲面光學(xué)元件的加工及評(píng)價(jià)提供參考。
【學(xué)位單位】：西安工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O43;TH74
【部分圖文】：

簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)進(jìn)一步提升光學(xué)系統(tǒng)性能，給光學(xué)設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造�，F(xiàn)代先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的快速發(fā)展，光學(xué)自由曲面加工已經(jīng)成為可能示出了良好的發(fā)展前景。在軍事上，自由曲面光學(xué)元件已經(jīng)得到了成功超音速巡航導(dǎo)彈以及無人機(jī)的光電探測(cè)窗口等；在民用領(lǐng)域，如頭盔鏡、汽車車燈及路燈設(shè)計(jì)等方面，也有自由曲面光學(xué)元件的應(yīng)用[3]；面，哈勃望遠(yuǎn)鏡在其修復(fù)光學(xué)系統(tǒng)中采用一塊自由曲面反射鏡，成功治。除此之外，日常生活中比較常見的激光打印設(shè)備中也會(huì)用到光學(xué)自（a）哈勃望遠(yuǎn)鏡中的應(yīng)用 （b）頭盔顯示器中的應(yīng)用

貌檢測(cè)的國內(nèi)外現(xiàn)狀面形貌的高精度檢測(cè)，目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者己于緩慢發(fā)展階段。目前，大部分的精密光學(xué)自球面檢測(cè)手段[6]，主要包括三種：輪廓掃描法[13-16]。前國內(nèi)外對(duì)光學(xué)自由曲面進(jìn)行面形測(cè)量的一種被測(cè)自由曲面逐點(diǎn)掃描，通過探測(cè)器的上下移自由曲面的一條輪廓線信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自由曲其分為接觸式的機(jī)械探頭測(cè)量法以及非接觸式典型產(chǎn)品是英國 Taylor Hobson 公司生產(chǎn)的 F2 所示）。該儀器可利用其自帶的μltra Window元件進(jìn)行表面形狀參數(shù)及粗糙度參數(shù)的處理與

圖 1.3 PGI 式觸針傳感器測(cè)量原理圖式輪廓儀主要由激光器、曲面衍射光柵、觸針、彈簧、測(cè)桿曲面衍射光柵裝在測(cè)桿的尾端，保證在測(cè)量過程中其軸線始測(cè)時(shí)，觸針與待測(cè)光學(xué)元件接觸，元件表面的微觀不平便會(huì)紋發(fā)生變化，通過分析條紋的變化量就可以得到觸針的垂直測(cè)量法是借助于光學(xué)探頭來實(shí)現(xiàn)面形測(cè)量，典型產(chǎn)品有美國Wyko NT9300 光學(xué)輪廓儀（如圖1.4所示）、美國OptiPro公司如圖 1.5 所示）、英國 Taylor-Hobson 公司[21 ]的 Luphoscan及荷蘭 TNO 公司[22 ]的 Nanomefos 測(cè)量?jī)x。其中，Wyko NT 0.1nm~10mm，單點(diǎn)測(cè)量精度可達(dá) 10nm，目前處于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先為 8mm[19]；UltraSurf 系列輪廓儀采用低相干光光學(xué)探針，可確度可以達(dá)到 1μm；Luphoscan 測(cè)量系統(tǒng)用反射式多頻激光面進(jìn)行非接觸式測(cè)量，探針通過自由曲面的路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)不量精度可達(dá) 100nm PV；Nanomefos 測(cè)量設(shè)備利用差動(dòng)共焦傳
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