基于零位干涉的共轭差分面形绝对检测技术研究
发布时间：2020-06-19 14:30
【摘要】：光学零位干涉测试是一种相对测量方法,已经广泛应用在光学元件的高精度检测中。为了消除包括参考面误差在内的系统误差,进一步提升检测精度,绝对检测技术被用于获得待测光学元件的绝对面形。传统的三面互检法等绝对检测方法通常需要对待测件进行大幅度的翻转或旋转,给检测过程中带来不可避免的位置匹配误差,影响测量精度。为了实现待测件面形的绝对检测,避免传统绝对检测方法中待测件的大幅度移动带来的位置匹配误差问题,本文研究基于零位干涉的微小位移共轭差分光学面形绝对检测技术,主要研究内容如下:针对传统平面绝对面形检测中待测件大幅度移动造成位置匹配误差的问题,在差分干涉中引入了共轭位置测量的思想,提出了基于零位干涉的共轭差分平面绝对检测技术,通过对待测件进行四次亚毫米级的平移运动,由两正交方向的共轭位置上的四次测量结果得到待测面在两个方向上的差分面形,并通过差分波面复原算法解算得到待测面的绝对面形;待测件只需要进行亚毫米级的平移,不需要大幅度的翻转或旋转,从而避免了待测件的大尺度姿态变化造成的位置匹配误差和应力形变误差;相比于差分法,共轭差分法通过共轭位置的测量,消除了初始位置测量结果的影响,双边共轭逼近差分也提升了拟合逼近精度,仿真结果显示,应用三种差分波面复原算法得到的共轭差分法复原结果比差分法复原结果精度更高;针对共轭差分干涉测量中的关键问题如剪切量和算法等进行分析,同时研究实际测试过程中几个主要误差源对共轭差分法的影响;针对一待测平面镜元件,应用共轭差分法完成平面光学元件的绝对检测实验,实验结果表明,其测试结果与三面互检法的结果一致,两者最大均方根偏差为0.2nm,优于λλ/3100(λλ=632.8nm)。针对将共轭差分法应用到非球面面形的绝对检测中所需的待测件零位干涉条件的问题,利用无旋转对称性的光学自由曲面待测件,研究基于CGH(computer generated hologram)的零位补偿波前变换技术,完成了自由曲面波前变换的CGH的设计与加工,实现了光学自由曲面元件的零位干涉检测;针对一离轴非球面元件将其经过坐标变换后作为光学自由曲面元件来设计CGH进行零位测试,测试结果显示,CGH作为零位补偿波前变换器件用于光学自由曲面的零位干涉检测的测量重复性(root meat square,RMS)优于λ/1400,分析测试过程中的误差因素,CGH重构自由曲面波前误差(RMS)优于λ/110,通过均方根合成得到测试系统的测量不确定度(URMS)优于λ/70;以Offner补偿器的测量结果作为参考值,进行比较,两者之间偏差(ARMS)优于λ/104。针对应用共轭差分法实现柱面元件的绝对检测问题,建立了基于CGH波前变换、柱面辅助装调和共轭差分技术的柱面绝对面形检测方法;设计并加工了柱面波前变换的CGH,用于柱面的零位干涉测试;建立柱面干涉调整误差模型,将装调过程中的失调量与测试结果的Chebyshev多项式拟合系数关联,定量计算柱面零位干涉中的失调量,实现柱面零位干涉测量中待测件的辅助装调,提高柱面干涉测试过程中的装调精度;保持待测柱面的零位干涉状态,将待测柱面分别沿中心线方向平移和绕中心线旋转,得到待测柱面在两组共轭位置的测量结果,应用共轭差分得到待测柱面在两个方向上的差分波面,从而通过波面复原技术获得待测柱面的绝对面形;针对一曲率半径为-100mm的圆柱面镜,应用共轭差分法实现待测柱面的绝对检测,测试结果与轮廓仪测试结果作对比,两者之间轮廓基本一致,偏差RMS优于λ/40。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：
原理是只要物波的数学模型已知，就能产生实际上并不存在的物体的衍射波前，因而它逡逑能精确地提供各种面形元件检测所需的“标准样板”，即它可以产生想要得到的任意形逡逑状的波前，对任意形状的光学面形进行零位补偿干涉测量，原理如图１．２所示计算逡逑全息法最早是由美国亚利桑那大学光学中心的Ａ．Ｊ．Ｍａｃｇｏｖｅｍ和Ｊ．Ｃ．Ｗｙａｎｔ等人提出｜｜９＿逡逑２｜］。随着计算机技术和微电子加工装备技术的蓬勃发展，ＣＧＨ的加工能力及精度也随逡逑之曰益提升，高精度、高衍射效率的计算全息加工己完全可以用于光学面形的干涉测量逡逑中，计算全息技术也己经在非球面元件的检测中得到深入的研宄和广泛的使用，被认为逡逑是检测非球面元件面形最有效的方法。逡逑参考面逡逑准直光源逦标准透镜组逡逑成像透镜待测件逡逑空间滤波器一）（一逡逑探测器邋／邋＼逡逑图１．２计算全息零位干涉检测非球面原理图逡逑国际上美国的亚利桑那大学［２７＿３（）１、德国斯图加特大学１３１＿３６１等研究机构以及国内的清逡逑华大学１３７￥１、长春光机所１４＾３］、中科院成都光电所Ｉ４４＃］、南京理工大学［２２＿４７＿＿Ｍ１等单位都逡逑在ＣＧＨ的研[偡矫婵沽松钊氲难衃偣ぷ鳎⒃诜乔蛎娴募觳庥τ缅〉昧酥匾某慑义瞎Ｋ孀盼⒌缱蛹际醯姆⒄梗茫牵鹊募庸つ芰χ鸩教嵘茫牵鹊募庸ぞ雀撸茫牵儒义仙傻牟ㄇ爸柿恳仓鸾ヌ岣撸虼耍茫牵确ǖ募觳饩纫苍嚼丛礁撸淮送猓孀偶庸ぞ义隙鹊奶嵘茫牵鹊牟ㄇ氨浠荒芰σ苍嚼丛礁撸虼耍茫牵确ǖ牟馐远韵笠泊釉缙诘男】阱义暇缎》乔蛎娑鹊饺缃竦拇罂诰洞蠓乔蛎娑鹊姆乔蛎嬖
本文编号：2720919
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：
原理是只要物波的数学模型已知，就能产生实际上并不存在的物体的衍射波前，因而它逡逑能精确地提供各种面形元件检测所需的“标准样板”，即它可以产生想要得到的任意形逡逑状的波前，对任意形状的光学面形进行零位补偿干涉测量，原理如图１．２所示计算逡逑全息法最早是由美国亚利桑那大学光学中心的Ａ．Ｊ．Ｍａｃｇｏｖｅｍ和Ｊ．Ｃ．Ｗｙａｎｔ等人提出｜｜９＿逡逑２｜］。随着计算机技术和微电子加工装备技术的蓬勃发展，ＣＧＨ的加工能力及精度也随逡逑之曰益提升，高精度、高衍射效率的计算全息加工己完全可以用于光学面形的干涉测量逡逑中，计算全息技术也己经在非球面元件的检测中得到深入的研宄和广泛的使用，被认为逡逑是检测非球面元件面形最有效的方法。逡逑参考面逡逑准直光源逦标准透镜组逡逑成像透镜待测件逡逑空间滤波器一）（一逡逑探测器邋／邋＼逡逑图１．２计算全息零位干涉检测非球面原理图逡逑国际上美国的亚利桑那大学［２７＿３（）１、德国斯图加特大学１３１＿３６１等研究机构以及国内的清逡逑华大学１３７￥１、长春光机所１４＾３］、中科院成都光电所Ｉ４４＃］、南京理工大学［２２＿４７＿＿Ｍ１等单位都逡逑在ＣＧＨ的研[偡矫婵沽松钊氲难衃偣ぷ鳎⒃诜乔蛎娴募觳庥τ缅〉昧酥匾某慑义瞎Ｋ孀盼⒌缱蛹际醯姆⒄梗茫牵鹊募庸つ芰χ鸩教嵘茫牵鹊募庸ぞ雀撸茫牵儒义仙傻牟ㄇ爸柿恳仓鸾ヌ岣撸虼耍茫牵确ǖ募觳饩纫苍嚼丛礁撸淮送猓孀偶庸ぞ义隙鹊奶嵘茫牵鹊牟ㄇ氨浠荒芰σ苍嚼丛礁撸虼耍茫牵确ǖ牟馐远韵笠泊釉缙诘男】阱义暇缎》乔蛎娑鹊饺缃竦拇罂诰洞蠓乔蛎娑鹊姆乔蛎嬖
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