基于光线追迹和特征函数的非球面干涉检测系统建模及应用研究
发布时间：2022-08-11 22:22
随着先进光学制造和检测技术不断发展,作为核心元部件的非球面在现代大型光学工程（如天文望远镜、激光聚变系统等）、集成电路产业（光刻机）、消费级光学等领域得到广泛应用。非球面光学元件制造需要相应检测技术支撑。当前,高精度非球面面形检测限制了高性能光学系统的实现,通用、低成本非球面面形检测则限制了非球面在常规光学系统中普及使用。基于球面标准镜头的Fizeau干涉仪是球面面形检测主要手段,非球面面形检测需要特殊辅助元件将干涉仪出射球面测试波前转化为非球面波前以使得干涉条纹可探测。计算全息片（computer-generated hologram,CGH）和变形镜（deformable mirror,DM）是两种常用波前补偿器,分别满足高精度和通用性非球面面形检测要求。针对Fizeau干涉仪及计算全息片、变形镜补偿器进行建模是识别和量化非球面干涉检测系统误差源以进一步提高面形检测精度的重要途径。光线追迹和特征函数是常用光学系统建模手段。光线追迹可细分为序列、非序列、偏振和非偏振追迹;特征函数可分为高阶和低阶特征函数。本文研究工作的主要任务是为识别和量化基于补偿器的Fizeau干涉仪非球面面形检测...
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 引言
1.1 研究背景
1.2 国内外研究现状与发展趋势
1.2.1 非球面面形检测方法概述
1.2.2 光线追迹和特征函数在干涉面形检测系统建模中的应用
1.3 基于光线追迹和特征函数的建模方法及分类
1.4 研究内容
第2章 光线追迹和特征函数理论基础
2.1 光线追迹
2.1.1 非偏振光线追迹
2.1.2 偏振光线追迹
2.1.3 序列光线追迹
2.1.4 非序列光线追迹
2.2 特征函数
2.2.1 光学系统特征函数定义
2.2.2 旋转对称折射面、反射面以及CGH衍射面低阶角特征函数
2.2.3 四阶角特征函数与四阶波像差的关系
2.2.4 旋转对称光学系统特征函数高阶展开式
2.3 适用范围
2.4 计算全息片等效光线模型
2.5 小结
第3章 基于序列非偏振追迹的建模
3.1 FIZEAU干涉仪模型
3.1.1 建模思路
3.1.2 干涉仪在理想状态下检测误差以及频谱展宽和环境稳定性影响
3.1.4 小结
3.2 计算全息片补偿器畸变标定模型
3.2.1 畸变曲线获取思路
3.2.2 仿真与实测畸变曲线比较及畸变引入面形误差讨论
3.2.3 小结
3.3 变形镜补偿器模型
3.3.1 补偿器基本原理
3.3.2 补偿器建模思路
3.3.3 补偿器可测范围及变形镜位置公差分析
3.3.4 小结
第4章 基于非序列偏振追迹的CGH补偿器杂散光面形误差建模
4.1 补偿器结构及杂散光命名规则
4.2 杂散光面形误差非序列偏振追迹建模思路
4.3 杂散光面形误差仿真和实验比较
4.4 小结
第5章 基于低阶特征函数的CGH补偿器杂散光光线像差建模
5.1 补偿器结构
5.2 CGH补偿器中杂散光特征函数及波像差
5.3 在级数展开下杂散光波像差定性讨论
5.4 CGH补偿器杂散光猫眼平面光线像差建模思路
5.5 系统设计分析
5.6 小结
第6章 基于高阶特征函数FIZEAU干涉仪回程误差建模
6.1 FIZEAU干涉仪中回程误差求解等效成像模型
6.2 FIZEAU干涉仪倾斜加载回程误差建模思路
6.3 特征函数和光线追迹求解回程误差比较
6.4 小结
第7章 全文总结及展望
7.1 全文总结
7.2 主要创新点
7.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]非球面非零位检测的逆向优化面形重构[J]. 师途,刘东,张磊,杨甬英,沈亦兵. 光学学报. 2014(06)
[2]用计算全息图校正非球面的畸变[J]. 高松涛,王高文,张健,隋永新,杨怀江. 光学精密工程. 2013(08)
[3]用计算全息图对非球面的高精度检测与误差评估[J]. 高松涛,隋永新,杨怀江. 光学学报. 2013(06)
[4]Design and fabrication of computer-generated holograms for testing optical freeform surfaces[J]. 沈华,朱日宏,高志山,E. Y. B. PUN,W. H. Wong,朱效立. Chinese Optics Letters. 2013(03)
[5]矫正眼高阶像差的非球面眼镜的设计方法[J]. 李蕊,王肇圻,刘永基,母国光. 中国科学:技术科学. 2012(05)
[6]Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜[J]. 张金平,张学军,张忠玉,郑立功. 光学精密工程. 2012(03)
[7]干涉仪成像畸变引起测量误差的校正方法[J]. 刘满林,杨旺,许伟才. 光学精密工程. 2011(10)
[8]紧凑型红外全景镜头设计[J]. 段其强,张悦,陈献亚,丁桂林. 激光与光电子学进展. 2010(06)
[9]光学系统偏振像差的实验分析[J]. 邱宝玮,徐建锋,李遥,梁宜勇. 红外与激光工程. 2010(01)
[10]全景成像技术的现状和进展[J]. 肖潇,杨国光. 光学仪器. 2007(04)
博士论文
[1]干涉面形绝对检测不确定度评估方法研究[D]. 全海洋.中国科学院光电技术研究所 2017
[2]基于平移旋转的球面绝对检测技术研究[D]. 宋伟红.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[3]离轴非球面的组合全息检验[D]. 李世杰.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
硕士论文
[1]基于液晶空间光调制器计算全息检测非球面方法研究[D]. 周昊.哈尔滨理工大学 2016
[2]基于非球面的高像素超薄手机镜头设计[D]. 张广.西安电子科技大学 2013
[3]渐进多焦点眼镜片的优化设计[D]. 唐运海.苏州大学 2011
本文编号：3675503
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 引言
1.1 研究背景
1.2 国内外研究现状与发展趋势
1.2.1 非球面面形检测方法概述
1.2.2 光线追迹和特征函数在干涉面形检测系统建模中的应用
1.3 基于光线追迹和特征函数的建模方法及分类
1.4 研究内容
第2章 光线追迹和特征函数理论基础
2.1 光线追迹
2.1.1 非偏振光线追迹
2.1.2 偏振光线追迹
2.1.3 序列光线追迹
2.1.4 非序列光线追迹
2.2 特征函数
2.2.1 光学系统特征函数定义
2.2.2 旋转对称折射面、反射面以及CGH衍射面低阶角特征函数
2.2.3 四阶角特征函数与四阶波像差的关系
2.2.4 旋转对称光学系统特征函数高阶展开式
2.3 适用范围
2.4 计算全息片等效光线模型
2.5 小结
第3章 基于序列非偏振追迹的建模
3.1 FIZEAU干涉仪模型
3.1.1 建模思路
3.1.2 干涉仪在理想状态下检测误差以及频谱展宽和环境稳定性影响
3.1.4 小结
3.2 计算全息片补偿器畸变标定模型
3.2.1 畸变曲线获取思路
3.2.2 仿真与实测畸变曲线比较及畸变引入面形误差讨论
3.2.3 小结
3.3 变形镜补偿器模型
3.3.1 补偿器基本原理
3.3.2 补偿器建模思路
3.3.3 补偿器可测范围及变形镜位置公差分析
3.3.4 小结
第4章 基于非序列偏振追迹的CGH补偿器杂散光面形误差建模
4.1 补偿器结构及杂散光命名规则
4.2 杂散光面形误差非序列偏振追迹建模思路
4.3 杂散光面形误差仿真和实验比较
4.4 小结
第5章 基于低阶特征函数的CGH补偿器杂散光光线像差建模
5.1 补偿器结构
5.2 CGH补偿器中杂散光特征函数及波像差
5.3 在级数展开下杂散光波像差定性讨论
5.4 CGH补偿器杂散光猫眼平面光线像差建模思路
5.5 系统设计分析
5.6 小结
第6章 基于高阶特征函数FIZEAU干涉仪回程误差建模
6.1 FIZEAU干涉仪中回程误差求解等效成像模型
6.2 FIZEAU干涉仪倾斜加载回程误差建模思路
6.3 特征函数和光线追迹求解回程误差比较
6.4 小结
第7章 全文总结及展望
7.1 全文总结
7.2 主要创新点
7.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]非球面非零位检测的逆向优化面形重构[J]. 师途,刘东,张磊,杨甬英,沈亦兵. 光学学报. 2014(06)
[2]用计算全息图校正非球面的畸变[J]. 高松涛,王高文,张健,隋永新,杨怀江. 光学精密工程. 2013(08)
[3]用计算全息图对非球面的高精度检测与误差评估[J]. 高松涛,隋永新,杨怀江. 光学学报. 2013(06)
[4]Design and fabrication of computer-generated holograms for testing optical freeform surfaces[J]. 沈华,朱日宏,高志山,E. Y. B. PUN,W. H. Wong,朱效立. Chinese Optics Letters. 2013(03)
[5]矫正眼高阶像差的非球面眼镜的设计方法[J]. 李蕊,王肇圻,刘永基,母国光. 中国科学:技术科学. 2012(05)
[6]Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜[J]. 张金平,张学军,张忠玉,郑立功. 光学精密工程. 2012(03)
[7]干涉仪成像畸变引起测量误差的校正方法[J]. 刘满林,杨旺,许伟才. 光学精密工程. 2011(10)
[8]紧凑型红外全景镜头设计[J]. 段其强,张悦,陈献亚,丁桂林. 激光与光电子学进展. 2010(06)
[9]光学系统偏振像差的实验分析[J]. 邱宝玮,徐建锋,李遥,梁宜勇. 红外与激光工程. 2010(01)
[10]全景成像技术的现状和进展[J]. 肖潇,杨国光. 光学仪器. 2007(04)
博士论文
[1]干涉面形绝对检测不确定度评估方法研究[D]. 全海洋.中国科学院光电技术研究所 2017
[2]基于平移旋转的球面绝对检测技术研究[D]. 宋伟红.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[3]离轴非球面的组合全息检验[D]. 李世杰.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
硕士论文
[1]基于液晶空间光调制器计算全息检测非球面方法研究[D]. 周昊.哈尔滨理工大学 2016
[2]基于非球面的高像素超薄手机镜头设计[D]. 张广.西安电子科技大学 2013
[3]渐进多焦点眼镜片的优化设计[D]. 唐运海.苏州大学 2011
本文编号：3675503
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