基于二维光学点阵的反射型面形测量方法研究

发布时间：2020-08-12 10:10

【摘要】：反射器件在大型科学设施、微电子、现代国防、医疗机械、科学仪器以及高端消费品等领域的应用十分广泛,其面形精度对设备性能的影响不容忽视,因此对反射器件的精密测量备受关注。现有的面形检测方法仍不能完全满足反射型面形高精度测量的需求,如大面形的高精度测量、在线/实时测量等。基于此,本文提出了一种基于新的结构光阵列的面形测量方法,将光学点阵应用到反射型面形测量中。本文提出的面形测量方法是在通过光场调控产生大小可调的二维光学点阵的基础上,利用光学点阵受被测面面形调制后会产生偏移的特点来计算被测面的面形。求解被测面的面形信息时,无需利用相位信息,并且仅需采集一幅图像便可完成被测面面形的测量,具有速度快,精度高,适用性强的特点。论文的主要研究内容和成果如下:1.调研了反射型面形测量的多种方法,着重介绍了光学非接触式测量方法的基本原理,并分析了各测量方法的特色。同时总结了二维光学点阵的产生方法及其在各个领域中的应用情况。2.提出了基于二维光学点阵的反射型面形测量方法。结合几何光学和空间三维变换理论,建立了二维光学点阵几何形变量与反射型三维面形的数学关联模型,研究分析了测量方法的测量范围和单像素点分辨率。利用光学仿真软件Zemax仿真实验光路以此验证数学模型的可行性。3.提出了基于二维光学点阵质心的面形重构算法。包括对CCD相机采集的二维光学点阵图像进行阈值分割和质心提取,最后利用基于Zernike多项式的模式重构算法对被测面形进行重构,实现被测面形的测量。4.实验验证系统的性能。将利用本系统测量出的面形与商用干涉仪测量的面形进行比较,将两种测量方法测得的面形数据相减,得到的面形均方误差RMS为0.131?m,小于一个波长,验证了本文提出的面形测量方法的可行性和精确性。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;TH74
【图文】：

示意图,反射技术,条纹,示意图

第 1 章绪论屏作为光源，而结构光投影法采用投影仪作为光源，结构光投影法通过建立被测面的面形高度与相位的几何关系然后在依据相位来求解被测面的面形，而条纹反射技术通过实际成像光线与理想成像光线之间的偏差来计算面形的偏差，这种技术又称为相位测量偏折术[49-51]。

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图 2-9 坐标断面设置由正入射光路图 2-7 可知，光线两次经过透镜 f1，而在序列模式中，每个光学表面光线仅通过一次。此时，有两种方法处理这种情况：（1）使用非序列模型，（2）使用坐标断面（coordinate break）实现坐标的转折。坐标断面类型的面有 6个参数，包括 x、y、z 方向上新的坐标原点相对于旧的坐标系的位移和旋转。并且坐标断面类型的面是虚拟的面，不能定义玻璃的类型，Zemax 的 2D\3D\渲染模型中均不会显示这个面。本文中采用的是第二种方法，利用两次的坐标断面实现坐标的转折。设计界面如图 2-9 所示。利用两次坐标断面使得作为被测面的反射镜的位置信息独立，不仅与反射镜前的光路无关，且反射镜后的光路中的光学器件的位置并不随着反射镜的旋转而变化。因此，根据光路图以及透镜参数进行数据输入后的镜头数据编辑窗口如图2-10 所示。

光学系统参数,透镜参数,数据编辑,光路图

光学系统参数设计

【参考文献】