空间大口径非球面干涉补偿检验误差分析与精度标定

发布时间：2018-03-27 06:27

本文选题：干涉检测　切入点：空间大口径非球面　出处：《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》2016年博士论文

【摘要】：随着近年来电子计算机技术、光学系统制造技术、数字图像处理技术、机械制造技术等的不断发展,空间望远系统在天文观测和空间对地观测中的应用越来越普遍,在诸如导弹早期预警、信息对抗、军事侦查、灾害防治、资源遥感等领域都有着重要的地位。其中针对对地遥感空间望远光学系统,离轴三反消像散(TMA)光学系统相对于同轴系统来说,应用较广。与同轴系统相比,离轴TMA光学系统一般主要采用矩形有效视场,这样的话可以在一个方向得到不到半度的视场却在另一个方向得到很大的视场角,并与线阵CCD结合应用于对地遥感领域。这种光学结构的优点是:大视场、高分辨率、高像质。非球面在光学系统中的应用,相对于球面来说,可以在光学设计的时候,不增加产生的独立像差,同时又增加了系统的优化变量数目,达到了提高光学系统的成像质量并简化光学系统结构的目的。由于光学系统分辨率与口径成反比,随着光学技术的发展,对分辨率的要求越来越高,也就导致空间光学系统口径越来越大。空间光学对非球面的应用需求朝着更高的面形精度、更大的口径方向发展,有些空间光学系统甚至采用了大偏离量大离轴量的高次非球面,此外随着自由曲面的发展,现在空间光学系统中,自由曲面的使用也逐渐增多,这些需求都给光学加工和光学检测带来了很大的挑战。检测是加工的前提,检测的结果指导光学加工过程的进行,检测对加工具有指导地位。非球面的常用检测方法包含有轮廓检测和干涉检测。其中轮廓检测相对于干涉检测来说,由于精度较低、适用范围广,一般应用于光学加工中的研磨阶段,而对于反射镜的抛光阶段或者最终测量,由于要求采用精度高、可靠性强的检测手段,一般采用干涉检验。干涉检验又可以分为非零位检测和零位检测。非零位检测包括子孔径拼接法、长波长干涉仪检测、剪切干涉仪检测、五棱镜扫描法、哈特曼检测法等,非零位检测这类检测方法优点是适用范围广,可广泛适用于多种面形,但其缺点是:检测精度不高且检测可靠性待验证。而零位检测又可以分为无像差法和补偿检测。无像差点法只适用于二次曲面,针对现在的空间大口径高次非球面,一般采用零位检测中的补偿检测,也就是利用补偿器(null lens)或计算全息板(Computer-generated-hologram,CGH)产生与被检镜匹配的非球面波前以实现利用商用干涉仪进行的干涉检验。现有的零位检测由于检测过程中出现的商用干涉仪的误差、补偿元件的误差,其检测精度未知。随着对非球面精度要求的提高以及磁流变、离子束等确定性光学加工技术的发展,光学检测的精度要求提高到百分之一波长或者更高,而由于哈勃望远镜主镜补偿器出现问题导致的巨大经济损失,要求光学检测最终检测结果可靠,也就需要两种及以上的检测方式互检。因此,空间大口径非球面干涉补偿检验误差分析与精度标定对于空间大口径非球面检测变得尤为重要。本文主要对空间大口径非球面干涉补偿检测误差进行了分析,对空间大口径非球面干涉补偿检测的精度进行了标定,结合工程实例对该标定方法进行了工程验证,论文的研究内容包括以下四个部分:1,结合最大似然估计算法与正交化Zernike多项式拟合理论,针对大口径非球面干涉补偿检测中参考镜面形误差不能被忽略的问题,建立了可适用于检测非球面时参考镜误差标定和检测球面等任意光学元件时的参考镜误差标定的算法模型,该算法可以在检测中同时计算出被检测镜与参考镜的面形,并结合实际干涉检测实例,对该算法进行了仿真分析,验证了算法检测精度与可靠性,同时利用高精度标准具,标定了实际工程中某一干涉仪球面标准镜的随机误差和系统误差。2,分析了CGH检测非球面时由于CGH在设计、编码、制造过程引入的各种误差源。CGH的制造误差是主要误差,制造误差包括CGH的基板误差、刻画畸变、占空比误差、刻蚀深度误差、振幅误差。利用特殊设计的CGH分析了CGH的制造误差,得到了通用于所有CGH设计过程中的参数优化方法,并通过该方法设计了具体的CGH检测某自由曲面,检测结果验证了利用该方法设计并制作高精度CGH检测非球面乃至自由曲面的可行性。3,介绍了补偿器检测非球面的基本原理,针对不同类型补偿器的初始结构选取和计算方法,根据某一实际离轴非球面,实际设计了检测该离轴非球面的补偿器。同时介绍CGH的基本理论,提出利用倾斜式CGH标定补偿器误差,并根据其理论合理设计出倾斜式的CGH来标定该补偿器,分析出该CGH精度并得到整个补偿器的误差,通过对影响补偿器精度的各个影响因素进行分析,实验验证了利用该补偿器检测非球面的可行性。4,利用实际工程中某一具体空间大口径非球面,设计出检测该非球面的CGH以及补偿器,利用已经提出的分析方法,分析出利用该CGH检测非球面的精度,并对装调精度进行分析,综合得到利用CGH检测该空间大口径非球面的检测精度以及该CGH检测非球面的检测结果;再分析出利用该补偿器检测非球面的精度,综合得到利用补偿器检测该空间大口径非球面的检测精度以及该补偿器检测非球面的检测结果。对比CGH检测结果和补偿器检测结果,验证标定过程的可靠性以及该空间大口径非球面制造结果的可靠性,对空间大口径非球面最终检测提供一定的参考意义。
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【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】：TP79

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