自由曲面表面形貌的条纹反射检测技术研究

发布时间：2020-11-20 16:56

　　 自由曲面光学元件因具有较多的设计自由度,可以提高光学系统性能,简化系统结构,逐渐成为了国内外相关研究热点。但同时,多的表面自由度又使得其面形检测变得十分困难,目前大部分的精密光学自由曲面检测手段仍然沿用非球面检测方法。条纹反射法作为一种有效的光学检测手段,其结构简单,测量速度快,同时不受被检光学元件几何面形的限制,为非球面、自由曲面的测量提供了一种新的思路。本文以实现自由曲面表面形貌的条纹反射检测为最终目的,阐述了目前自由曲面检测以及条纹反射镜面检测的研究现状,对条纹反射检测法展开深入研究。首先,通过推导相位与梯度的映射关系建立了检测系统物理模型,给出了系统各参数的理论计算公式,其高度分辨率可以达到nm量级,动态范围可到百万。其次,进行了条纹反射检测系统的标定技术研究,基于2D平面标定靶的标定原理完成了CCD相机的内、外参数标定,标定板上特征点的重投影误差RMS值为0.06 pixel;根据相机标定结果,分别进行了参考平面及LCD显示屏的空间位置标定,并给出了系统的几何参数计算方法。然后,分析对比了十字路径积分法、傅里叶全局积分法以及区域波前重建法三种常用的梯度数据积分方法,研究了一种基于Zernike正交多项式的面形重建方法,分析了不同项数及采样点数对重建结果的影响,选择Zernike前36项系数、采样点数为300进行仿真模拟测量;以双曲面为例进行算法的有效性验证及噪声等级变化分析,仿真结果表明:拟合面形残差PV值为2.6645e-9nm,RMS值为4.6616e-10nm,且当噪声≤15%时,算法适用性较好。最后,搭建了测量实验系统,其横向分辨率为107μm,视场大小约为132mm×98mm,使用该系统分别对平面反射、凹球面反射镜以及自由曲面进行条纹反射测量;平面镜面形重建结果PV值和RMS值分别约为332nm和74nm,与Zygo干涉仪的测量结果接近;凹球面反射镜面形矢高值与该球面镜标称高度值测量误差约为10%;同时,本文所搭建的测量系统能够恢复出被检自由曲面的面形。研究结果表明了条纹反射法对自由曲面表面形貌检测的可行性,为以后更高精度自由曲面光学元件的加工及评价提供参考。
【学位单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O43;TH74
【部分图文】：

简化系统结构的同时进一步提升光学系统性能，给光学设计人员创造。现代先进光学制造技术的快速发展，光学自由曲面加工已经成为可能示出了良好的发展前景。在军事上，自由曲面光学元件已经得到了成功超音速巡航导弹以及无人机的光电探测窗口等；在民用领域，如头盔镜、汽车车灯及路灯设计等方面，也有自由曲面光学元件的应用[3]；面，哈勃望远镜在其修复光学系统中采用一块自由曲面反射镜，成功治。除此之外，日常生活中比较常见的激光打印设备中也会用到光学自（a）哈勃望远镜中的应用 （b）头盔显示器中的应用

貌检测的国内外现状面形貌的高精度检测，目前国内外相关学者己于缓慢发展阶段。目前，大部分的精密光学自球面检测手段[6]，主要包括三种：轮廓扫描法[13-16]。前国内外对光学自由曲面进行面形测量的一种被测自由曲面逐点扫描，通过探测器的上下移自由曲面的一条轮廓线信息，进而实现自由曲其分为接触式的机械探头测量法以及非接触式典型产品是英国 Taylor Hobson 公司生产的 F2 所示）。该仪器可利用其自带的μltra Window元件进行表面形状参数及粗糙度参数的处理与

图 1.3 PGI 式触针传感器测量原理图式轮廓仪主要由激光器、曲面衍射光栅、触针、弹簧、测杆曲面衍射光栅装在测杆的尾端，保证在测量过程中其轴线始测时，触针与待测光学元件接触，元件表面的微观不平便会纹发生变化，通过分析条纹的变化量就可以得到触针的垂直测量法是借助于光学探头来实现面形测量，典型产品有美国Wyko NT9300 光学轮廓仪（如图1.4所示）、美国OptiPro公司如图 1.5 所示）、英国 Taylor-Hobson 公司[21 ]的 Luphoscan及荷兰 TNO 公司[22 ]的 Nanomefos 测量仪。其中，Wyko NT 0.1nm~10mm，单点测量精度可达 10nm，目前处于业内领先为 8mm[19]；UltraSurf 系列轮廓仪采用低相干光光学探针，可确度可以达到 1μm；Luphoscan 测量系统用反射式多频激光面进行非接触式测量，探针通过自由曲面的路径规划实现不量精度可达 100nm PV；Nanomefos 测量设备利用差动共焦传
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本文编号：2891721