基于条纹反射法的大口径非球面反射镜面形检测技术研究

发布时间：2017-09-22 05:01

  本文关键词：基于条纹反射法的大口径非球面反射镜面形检测技术研究

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【摘要】：由于非球面的使用,不仅可以使光学系统的性能显著提升,而且可以简化系统的结构、降低系统的重量与成本,因此非球面反射镜在民用、军用、天文,航天等领域得到广泛应用。但是非球面的加工制造很难找到合适的加工工具与标准、统一的检测方法,因此非球面的加工与检测远比球面镜的复杂与困难,特别是大口径高精度非球面反射镜在加工制造过程中的检测尤为困难。目前,大口径非球面光学反射镜的加工主要包括铣磨、研磨、抛光三个阶段。面形检测技术主要有轮廓检测法和光学干涉检测法。在研磨阶段通常采用轮廓测量仪,在抛光阶段通常采用干涉测量法。但是在研磨向抛光过渡的阶段(精研以及粗抛光阶段),常用轮廓仪检测存在检测精度、采样密度低,以及对大口径反射镜检测用时较长的缺点;而干涉仪动态范围小,对于面形误差通常较大的过渡阶段,很难覆盖全孔径检测;因此这两种检测方法都不能有效地指导该阶段大口径非球面反射镜的光学加工。条纹反射法作为一种有效的光学检测手段,具有结构简单、动态范围大、测量精度高,检测速度快,抗干扰性能好,成本低,易于操作等优点,并且无需其它辅助元件便可对大偏离度的大口径非球面镜进行面形测量,在有效解决轮廓仪和干涉仪测量范围未能有效衔接问题的同时,亦降低了成本,缩短了工期。鉴于此,本文提出采用条纹反射法对精研以及粗抛光阶段的非球面反射镜面形进行检测。本论文的研究工作主要包括以下四部分内容:1.SCOTS(software configurable optical test system)的相关理论研究。首先介绍了SCOTS检测斜率与面形的原理,然后选择轴对称球面反射镜(口径φ为100mm,顶点曲率半径为-1000mm)作为模拟仿真检测系统的待测镜,利用CODEV光线追迹功能,实现了对条纹反射检测系统工作过程中的光线运行轨迹跟踪,从而验证其检测原理,最后对SCOTS展开了实验研究,验证了该检测系统的精度能够非球面反射镜加工中精研与粗抛光阶段面形检测的需求。2.SCOTS标定技术研究。针对SCOTS检测系统的相机光线标定精度会因孔径成像像差与图像噪声的存在而降低的问题,提出了一种通过移动LCD显示屏,并结合相位跟踪技术寻找共相位点的相机光线方向标定方法来提高条纹反射光学三维面形检测中相机光线方向的标定精度,并且通过实验对该标定方法的有效性与优越性进行了验证。3.基于PMD(phase measuring deflectometry)的条纹反射检测方法研究。针对相机标定误差会大大降低SCOTS的检测精度问题,提出了一种简单,可靠,精度高的三维面形检测新方法:采用通过移动LCD显示屏确定的入射光线、小孔相机的小孔坐标,以及虚拟的辅助表面来得到待测大口径反射镜面的绝对高度和梯度。这种检测方法可以降低对实验设备位置的要求,而且不需要对进入相机的反射光线进行标定,可以避免检测过程中反射光线方向标定误差的影响,使得该检测方法在未经过复杂的相机标定的情况下仍具有较高的检测精度,并且通过仿真与初步实验对其有效性进行了验证。4.条纹反射法检测大口径非球面反射镜的实验研究。利用条纹反射法对口径为821.65 mm、离轴量为550.57mm的离轴抛物面进行了检测。检测结果与干涉测量结果相吻合,证明了条纹反射法应用于大口径非球面检测的可行性,也证明了本文提出的标定方法以及基于PMD的条纹反射检测法应用于过渡阶段大口径非球面反射镜全口径检测的有效性。
【关键词】：光学检测 大口径非球面反射镜 条纹反射检测 相位测量偏折术 三维面形测量 干涉检测
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH744
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-30
• 1.1 引言14-15
• 1.2 非球面检测方法15-24
• 1.2.1 轮廓检测方法15-17
• 1.2.2 光学干涉检测17-22
• 1.2.3 大口径非球面检测22-24
• 1.3 条纹反射检测技术的发展概述24-27
• 1.4 课题研究的目的与意义27
• 1.5 本论文的主要研究内容27-30
• 第2章 条纹反射检测理论基础30-60
• 2.1 引言30-32
• 2.2 条纹反射检测法32-42
• 2.2.1 条纹反射检测原理33-34
• 2.2.2 检测方法的模型34-41
• 2.2.3 检测方法的类型41-42
• 2.3 条纹反射检测分辨率与测量范围42-45
• 2.3.1 条纹反射检测分辨率43-44
• 2.3.2 条纹反射检测测量范围44-45
• 2.4 条纹反射检测法的关键技术45-58
• 2.4.1 数字相移法45-50
• 2.4.2 相位展开50-52
• 2.4.3 波前重构52-58
• 2.5 本章小结58-60
• 第3章 基于SCOTS的正弦条纹反射检测系统研究60-96
• 3.1 引言60-61
• 3.2 SCOTS检测原理61-64
• 3.2.1 SCOTS测量斜率原理61-63
• 3.2.2 SCOTS的检测原理63-64
• 3.3 SCOTS仿真分析64-67
• 3.3.1 光线追迹模型65-66
• 3.3.2 误差仿真分析66-67
• 3.4 SCOTS的几何测量与标定67-90
• 3.4.1 SCOTS的几何测量67-68
• 3.4.2 反射光线标定68-81
• 3.4.3 入射光线标定81-90
• 3.5 SCOTS检测实验90-94
• 3.5.1 实验装置及设备91-92
• 3.5.2 实验过程与检测结果92-94
• 3.6 本章小结94-96
• 第4章 SCOTS标定技术研究96-114
• 4.1 引言96
• 4.2 基于移动屏幕的反射光线标定96-99
• 4.2.1 反射光线标定原理96-98
• 4.2.2 成像模型与光束调整98-99
• 4.3 基于点源显示镜的入射光线标定99-102
• 4.4 检测实验102-112
• 4.4.1 实验装置及设备102-103
• 4.4.2 检测过程及数据处理103-109
• 4.4.3 检测结果与分析109-112
• 4.5 本章小结112-114
• 第5章 基于PMD的正弦条纹反射检测系统研究114-128
• 5.1 引言114-115
• 5.2 基于PMD的正弦条纹反射法的检测原理115-120
• 5.3 计算机仿真与误差分析120-121
• 5.4 系统几何测量与标定121-123
• 5.4.1 入射光线标定121-122
• 5.4.2 反射光线标定122-123
• 5.5 检测实验123-126
• 5.6 本章小结126-128
• 第6章 条纹反射法检测大口径非球面镜128-140
• 6.1 引言128-129
• 6.2 实验装置129
• 6.3 实验过程与数据处理129-136
• 6.3.1 实验过程129-133
• 6.3.2 数据处理133-136
• 6.4 测量结果分析136-138
• 6.5 本章小结138-140
• 第7章 总结与展望140-142
• 7.1 全文总结140-141
• 7.2 创新点141
• 7.3 下一步工作计划141-142
• 参考文献142-152
• 在学期间学术成果情况152-153
• 指导教师及作者简介153-154
• 致谢154

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1 周嘉穆;;大型金属非球面反射镜的镀膜工艺[J];光学工程;1979年06期

2 刘晓博;非球面反射镜的测量[J];光学技术;1989年03期

3 赵洪范;;非球面反射镜的复制[J];应用光学;1993年05期

4 程灏波;光学非球面反射镜轻量化制造技术[J];光学与光电技术;2004年04期

5 张伟;王f，

本文编号：898890