大口径长焦距测量系统中莫尔条纹倾角误差分析与校正
发布时间：2020-11-15 15:06
大口径长焦距透镜作为大型高功率激光系统中非常重要的光学元件,其质量要求非常严格,尤其是对其焦距的精度要求特别高。而大口径长焦距透镜由于其测量面形尺寸大,测量光路长,很难实现精确定焦,所以一直以来都是焦距测量领域的一个难题。本课题正是在这个背景下提出的,我们采用的是一种基于Talbot效应和莫尔条纹干涉的测量方法进行长焦距测量。这种方法能够实现全口径测量,并且能够有效避免周围环境对测量造成的影响,是一种有效的长焦距测量方法。本文首先阐述了长焦距测量的基本原理,在此基础上分析了焦距测量的精度,求解了长焦距测量过程中各个因素的不确定度影响。理论分析表明,基于Talbot效应和莫尔条纹干涉的长焦距测量方法的测量精度很大程度上依赖于莫尔条纹角度的精度。如何精确计算莫尔条纹的倾角将成为提高测量精度的关键。在本文中,我们提出了一种基于模板匹配的方法,可以精确计算出在大口径长焦距测量过程中出现的莫尔条纹的角度。之前主要采用的方法是通过迭代算法在亚像素域中寻找莫尔条纹频谱的最大值点计算莫尔条纹的角度。然而由于待测透镜的面形较大,实验过程中得到的莫尔条纹往往会出现不同程度的弯曲和畸形。在这种情况下,迭代算法往往会陷入局部最优解而无法准确测量出莫尔条纹频谱的实际最大值点,从而影响测量精度。针对这个问题,我们采取了一种基于模板匹配的亚像素处理方法,能有效处理各种莫尔条纹,精确计算其角度。理论分析和软件仿真表明这种方法具有高精度、高稳定等优点。通过实验数据对比验证了这个观点。并且,最终显著提高了长焦距透镜的焦距测量精度。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TH74
【部分图文】：
１．２．２常用测量方法??早在１９９９年，Ｖ．Ｉ．Ｍｅ油ｃｈｅｒｙａｋｏｖ等人就采用了一科基于高精度光横的方法进??行长焦距测量。其原理图如图１．１所示，当高精度光模不位于光路中时（图中??所示实线处），待测透境的傻点位于示意图的上方，使用探测器对其进行探测（实??线器所示处）；当高精度光模位于光路中时（图中虚线所示处），此时待测透镜的??像点将发生偏移，再次使用探测器对其进行操测（虚线所示处）。根据前后两个??徐点的偏移距离就可Ｌ义计算出待测透镜的焦距值。该方法具有相对较高的精度，??在测量２０ｍ左右的长焦距时精度可！＾乂达到０．１％。然而受衍射极限的影响，这种??方法的测量精度不能进一步提高，另外对光线的准直度和光模的加工精度要求化??特别高，有较大的局限性。??待测透镜??点光源?光顔?透镜?光模?１＾、
?第１章绪论??Ｔ．ＧＪＰａ化ａｍ等人使用了一种基于移相千涉仪的方法对长焦距进行测量ｔＷ，这??种方法的原理示意图如图１．２所示。首先在未加入待测透镜时，调解移相干涉仪，??使视场中没有干涉条纹，接着，再将被测透镜放入光路中，继续调节移相干涉仪，??再次使视场中没有干涉条纹，最后根据移相干涉仪前后的调节量和干涉图的情况??对待测透镜的焦距进行求解。该方法的精度较之前的方法有了明显的提高，最佳??时可Ｌ乂达到０．０２％。但是它需要高精度移相干涉仪和严格掠准的参考球面反射镜，??成本十分昂贵，并且不同的透镜需要专口制作对应的参考标准球面反射镜，进一??步增加了成本。??移相干涉仪?待测透境?标；球面??Ｌ?ＶＡ?！??］?．焦点???ｒ?Ｕ??图１．２基于移相干涉仪的长焦距测量方法原理图??在这种方法的基础上，ＢｒａｉｎＤｅＢｏｏ等人做出了一定的改进，使用反射型菲涅??尔全息片替换了参考球面反射镜，再结合移相干涉仪测量透镜的焦长距ｔｉｓ－Ｗ。实??验数据表明这种改进的方法测量精度可Ｌ乂达到０．０１％。然而
?臟点??图３．３常规算法寻找频域最大点时误差示意图??如图３．３所示，Ｘ表示实际的频谱点位置，ｎ表示常规算法求得的离散频谱点??坐标，ｎ－ｌ，ｎ，ｎ?＋?ｌ表示懷素点坐标值。左图中Ｘ点位于像素点ｎ和ｎ－１之间，右??图中Ｘ位于《和《－１之间，显然两幅图中频谱点的实际坐标应该是不同的，但如??果使用常规算法直接在频域寻找莫尔条纹频谱图的最大值点，由于傅里叶变换后??的频谱点均为整数，左图和右图求解将会得到相同的结果。??这样看来，由于傅里叶变换后得到的频域值只能是整数的，所Ｗ常规算法??寻找频域最大点时，并不能得到最大值点的精确坐标，由此带来了误差。要想获??取最大值点的精确坐标，我们必须要知道这个区域内频谱值的连续分布才行。??根据离散傳里叶的原理
【参考文献】
本文编号：2884892
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TH74
【部分图文】：
１．２．２常用测量方法??早在１９９９年，Ｖ．Ｉ．Ｍｅ油ｃｈｅｒｙａｋｏｖ等人就采用了一科基于高精度光横的方法进??行长焦距测量。其原理图如图１．１所示，当高精度光模不位于光路中时（图中??所示实线处），待测透境的傻点位于示意图的上方，使用探测器对其进行探测（实??线器所示处）；当高精度光模位于光路中时（图中虚线所示处），此时待测透镜的??像点将发生偏移，再次使用探测器对其进行操测（虚线所示处）。根据前后两个??徐点的偏移距离就可Ｌ义计算出待测透镜的焦距值。该方法具有相对较高的精度，??在测量２０ｍ左右的长焦距时精度可！＾乂达到０．１％。然而受衍射极限的影响，这种??方法的测量精度不能进一步提高，另外对光线的准直度和光模的加工精度要求化??特别高，有较大的局限性。??待测透镜??点光源?光顔?透镜?光模?１＾、
?第１章绪论??Ｔ．ＧＪＰａ化ａｍ等人使用了一种基于移相千涉仪的方法对长焦距进行测量ｔＷ，这??种方法的原理示意图如图１．２所示。首先在未加入待测透镜时，调解移相干涉仪，??使视场中没有干涉条纹，接着，再将被测透镜放入光路中，继续调节移相干涉仪，??再次使视场中没有干涉条纹，最后根据移相干涉仪前后的调节量和干涉图的情况??对待测透镜的焦距进行求解。该方法的精度较之前的方法有了明显的提高，最佳??时可Ｌ乂达到０．０２％。但是它需要高精度移相干涉仪和严格掠准的参考球面反射镜，??成本十分昂贵，并且不同的透镜需要专口制作对应的参考标准球面反射镜，进一??步增加了成本。??移相干涉仪?待测透境?标；球面??Ｌ?ＶＡ?！??］?．焦点???ｒ?Ｕ??图１．２基于移相干涉仪的长焦距测量方法原理图??在这种方法的基础上，ＢｒａｉｎＤｅＢｏｏ等人做出了一定的改进，使用反射型菲涅??尔全息片替换了参考球面反射镜，再结合移相干涉仪测量透镜的焦长距ｔｉｓ－Ｗ。实??验数据表明这种改进的方法测量精度可Ｌ乂达到０．０１％。然而
?臟点??图３．３常规算法寻找频域最大点时误差示意图??如图３．３所示，Ｘ表示实际的频谱点位置，ｎ表示常规算法求得的离散频谱点??坐标，ｎ－ｌ，ｎ，ｎ?＋?ｌ表示懷素点坐标值。左图中Ｘ点位于像素点ｎ和ｎ－１之间，右??图中Ｘ位于《和《－１之间，显然两幅图中频谱点的实际坐标应该是不同的，但如??果使用常规算法直接在频域寻找莫尔条纹频谱图的最大值点，由于傅里叶变换后??的频谱点均为整数，左图和右图求解将会得到相同的结果。??这样看来，由于傅里叶变换后得到的频域值只能是整数的，所Ｗ常规算法??寻找频域最大点时，并不能得到最大值点的精确坐标，由此带来了误差。要想获??取最大值点的精确坐标，我们必须要知道这个区域内频谱值的连续分布才行。??根据离散傳里叶的原理
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 廖江红,顾去吾;光学系统中的光栅衍射自成像现象:广义的Talbot效应[J];光学学报;1985年04期
2 梁晓;庄松林;;Talbot效应理论及应用[J];光学仪器;1986年01期
3 孙涛;宋一中;;基于时频波谱对易原理分析莫尔条纹谱[J];光谱学与光谱分析;2013年11期
4 奇云;;冷核聚变实用化:大突破还是大骗局[J];科技潮;2011年12期
本文编号：2884892
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