基于移相干涉的光学元件位相缺陷检测技术的研究

发布时间：2017-08-07 16:32

  本文关键词：基于移相干涉的光学元件位相缺陷检测技术的研究

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【摘要】：激光惯性约束聚变采用多束高能激光打靶,被认为是解决能源危机最有前景的方案之一,成为国际上研究的热点。该光学系统中有很多大口径光学元件,这些光学元件自身质量至关重要,不仅会影响打靶精度,缺陷的存在甚至会损坏整套光学系统。位相缺陷是光学元件上普遍存在的一种缺陷,该类缺陷不改变通过光的幅值,但会进行位相调制,对光有一定的会聚作用,在大功率光学系统中会造成光学元件的损伤,传统光学检测系统无法有效地检测该类缺陷。为此,国内外学者进行了大量研究,提出多种测量方法,如空间滤波法、数字全息法和移相干涉法,其中移相干涉法以其范围大、精度高的优势最具发展前景,而国内对此研究较少,尚无实物系统。本文采用移相干涉法对光学元件位相缺陷进行检测,主要研究内容如下。1.研究移相干涉法测量位相缺陷的基本原理,综合考虑不同移相实现方案的误差影响,选择光路分光步进式移相方案。针对移相器、光源和CCD引入的误差进行误差分析,并据此进行器件选型。2.使用加窗傅里叶法构建了一种能抑制移相误差的13帧定步长移相算法,根据实际振动影响较大的情况,提出使用迭代随机移相算法。对这两种算法和Hariharan 5帧算法进行仿真分析,结果表明,振动对解相效果影响最大,迭代随机移相算法解相面型精度高,面型峰谷值(PV)稳定在0.2~0.5nm。3.针对位相提取算法中存在的包裹问题,研究了基于最小二乘的几种解包裹算法,并进行了仿真分析,结果表明,基于最小二乘的解包裹算法不受异常点的影响,存在严重欠采样时只能其中的使用横向剪切干涉法,根据实际欠采样情况,选择横向剪切干涉法。4.针对存在的波前倾斜和常数项,使用Zernike拟合的方法加以修正。针对双点干涉的几何结构误差进行公式推导,将其与Zernike多项式中的彗差项和倾斜项相对应。根据拟合坐标系和几何结构误差坐标系的偏移,提出圆拟合法进行位置校正。5.采用迈克尔逊干涉光路对激光器进行验证,满足使用要求。根据原理搭建光学元件位相缺陷测量系统并进行了位相缺陷测量,测量结果与共焦显微镜结果基本一致,15次测量误差的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)的重复性精度分别为17.2nm和2.0nm。
【关键词】：位相缺陷 移相干涉 位相提取算法 位相解包裹
【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】：2016
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 研究背景、目的及意义9
• 1.2 国内外研究现状9-14
• 1.2.1 空间滤波法9-11
• 1.2.2 数字全息法11-12
• 1.2.3 移相干涉法12-14
• 1.3 主要研究内容14-16
• 第2章 总体方案设计16-25
• 2.1 引言16
• 2.2 方案流程图16
• 2.3 测量原理16-18
• 2.4 移相实现方案确定18-21
• 2.4.1. 移相原理选择18-20
• 2.4.2. 移相器调制方式20-21
• 2.5 关键器件选型分析21-24
• 2.5.1. 移相器选型分析21
• 2.5.2. 激光器选型分析21-23
• 2.5.3. CCD选型分析23-24
• 2.6 本章小结24-25
• 第3章 位相提取算法25-37
• 3.1. 引言25
• 3.2. 移相算法现状25-26
• 3.3. 13帧定步长算法26-28
• 3.4. 迭代随机移相算法28-33
• 3.5. 算法仿真33-36
• 3.6. 本章小结36-37
• 第4章 位相数据解包裹及拟合校正37-50
• 4.1. 引言37
• 4.2. 位相解包裹37-46
• 4.2.1. 迭代法40
• 4.2.2. 快速傅里叶变换法40-41
• 4.2.3. 离散余弦变换法41-42
• 4.2.4. 横向剪切干涉法42-43
• 4.2.5. 解包裹算法比较仿真43-46
• 4.3. 系统误差消除46-49
• 4.3.1. 几何结构误差47
• 4.3.2. Zernike多项式47-49
• 4.3.3. 误差去除49
• 4.4. 本章小结49-50
• 第5章 实验及数据分析50-64
• 5.1. 引言50
• 5.2. 激光器性能实验50-55
• 5.3. 位相缺陷检测系统实验装置55-56
• 5.4. 实验测量结果56-62
• 5.5. 本章小结62-64
• 结论64-65
• 参考文献65-69
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文69-71
• 致谢71

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本文编号：635658