基于光斑追迹的自由曲面共焦轮廓仪快速扫描方法研究

发布时间：2020-07-16 18:22

【摘要】：随着科技的不断发展,各个科学研究领域对光学系统的精度与分辨率的要求不断提高,各种新型光学元件不断涌现。其中自由曲面光学元件的诞生,进一步推动了光学技术领域的发展,自由曲面光学元件的表面面型精度会直接影响到光学系统的成像质量与光学性能。然而这类光学元件具有表面自由度多、不对称、倾角大的特点,因此难以用传统方式对信号光进行收集;且对于大口径自由曲面光学元件的三维轮廓测量,存在整体测量速度慢的问题,因此如何在保证测量精度的前提下,快速完成对自由曲面光学元件的三维轮廓测量任务,是目前计量领域的难题之一。本课题基于共焦扫描光学成像原理,利用谐振镜高速横向扫描的特点,整个测量系统采用横向和轴向同时运动的策略,提出了一种针对自由曲面轮廓测量的光斑追迹式快速扫描方法,完成了整个测量系统的硬件装配与软件设计,同时针对几种典型的轮廓滤波的方法进行了深入分析。完成的主要内容如下:(1)基于传统共焦光学扫描成像理论,构建了样品表面相干共焦扫描成像三维点扩散函数的理论模型;此外,针对大口径自由曲面的轮廓测量问题,提出了光斑追迹式快速扫描策略,并用仿真实验验证了扫描策略的可行性;(2)为了实现本测量系统的测量功能及性能指标,设计并搭建了共焦扫描测量光路,完成了对系统的硬件进行相应的选型、装配与调试工作;完成了对包络提取模型的建立;并基于Labview软件平台,完成了对系统各软件模块的设计,保证测量系统能够实现高精度快速测量的功能;(3)为了进一步提取出高精度自由曲面元件轮廓,本课题针对自由曲面样品表面轮廓滤波的问题,开展了对适用于所提出的快速扫描方法的几种轮廓滤波方法的研究,并完成了以下仿真实验:分别将传统高斯滤波器、基于延拓的高斯滤波器、三次样条滤波器以及一般样条滤波器作用于含有噪声与误差的自由曲面轮廓,分析了各滤波器的滤波特性;(4)进行了在光斑追迹扫描模式下的单点包络检测实验,验证了实验的可行性。此外,分别进行了在逐点扫描模式下及光斑追迹模式下的平面镜轮廓线测量实验、凸球面镜轮廓母线实验及凹非球面镜轮廓母线测量实验,并分别对比了两种扫描策略的测量精度与测量速度。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74;O439
【图文】：

自由曲面,光学元件,实物

[6-7]。图1-1 自由曲面光学元件实物图然而，自由曲面具有表面自由度多、不对称、倾角大等特点，受其影响，用传统光学检测手段难以对信号光进行收集，无法完成对其三维轮廓的测量任务。而机械探针扫描方式，容易在精密元件表面留下划痕，对光学元件造成损伤。此外，对于大口径自由曲面光学元件的三维轮廓测量，存在整体测量速度慢，扫描效率低的问题。因此如何在保证测量精度的前提下，解决以上问题，显得意义十分重大。综上所述，本课题研究的目的和意义在于：利用谐振镜高速横向扫描的特点，采用横向和轴向同时运动的扫描策略，设计特殊算法，在保证原有测量精度的基础上

干涉图样,三维轮廓测量,主要分类,方法

但是由于部分零位检测系统中部分零位补偿镜的引入，会给干涉图样的检测结果带来回程误差。图1-2 三维轮廓测量方法主要分类1.3 快速扫描技术研究现状1.3.1 机械探针扫描技术探针扫描技术是目前最为常用的一类对精密元件进行表面三维轮廓测量的有效手段，其主要分为机械接触式探针扫描技术和光学非接触式探针扫描技术。接触式探针扫描技术需要机械探针与样品表面进行直接接触，则样品与测头之间会存在 mN 量级大小的应力，传感器进而解算出被测点的空间坐标，这种测量手段的测量精度高，扫描速度快，然而容易划伤被测元件。根据测量原理的不同，接触式探针扫描技术按照测量原理的不同可以细分为电容式、电阻式、电阻式和电感式等。国内外许多科研团队对接触式探针轮廓仪的研制有着十分深入的研究。2006 年美国国家物理实验室和伦敦大学学院共同研制了一台能够实现大口径轮廓测量的大型轮廓仪，其测量口径能够达到 1000mm，轴向测量范围达到 1220mm,测量重复性能够达到 30nm

电感式,轮廓仪

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文量的稳定性和完整性。FormTalysurfi 系列电感式轮廓6nm，然而其测量范围受其机械结构的限制，仅有 100obson 公司研制的 Form Talysurf PGI NOVUS 系列的正向和反向的两个方向以上以相同的速度和精度测程达到 20mm，扫描速度快，分辨率能够达到 0.2nm机械接触式探针扫描技术有测量精度高，测量速度快，尤其是在三维轮廓测量领域发挥着重要作用。然而样品直接接触的形式，十分容易在被测元件表面留下此对于精密光学镜面而言这种测量方法是不适用的。

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