發(fā)布時間：2020-11-20 16:56

　　 自由曲面光學元件因具有較多的設計自由度,可以提高光學系統(tǒng)性能,簡化系統(tǒng)結構,逐漸成為了國內外相關研究熱點。但同時,多的表面自由度又使得其面形檢測變得十分困難,目前大部分的精密光學自由曲面檢測手段仍然沿用非球面檢測方法。條紋反射法作為一種有效的光學檢測手段,其結構簡單,測量速度快,同時不受被檢光學元件幾何面形的限制,為非球面、自由曲面的測量提供了一種新的思路。本文以實現自由曲面表面形貌的條紋反射檢測為最終目的,闡述了目前自由曲面檢測以及條紋反射鏡面檢測的研究現狀,對條紋反射檢測法展開深入研究。首先,通過推導相位與梯度的映射關系建立了檢測系統(tǒng)物理模型,給出了系統(tǒng)各參數的理論計算公式,其高度分辨率可以達到nm量級,動態(tài)范圍可到百萬。其次,進行了條紋反射檢測系統(tǒng)的標定技術研究,基于2D平面標定靶的標定原理完成了CCD相機的內、外參數標定,標定板上特征點的重投影誤差RMS值為0.06 pixel;根據相機標定結果,分別進行了參考平面及LCD顯示屏的空間位置標定,并給出了系統(tǒng)的幾何參數計算方法。然后,分析對比了十字路徑積分法、傅里葉全局積分法以及區(qū)域波前重建法三種常用的梯度數據積分方法,研究了一種基于Zernike正交多項式的面形重建方法,分析了不同項數及采樣點數對重建結果的影響,選擇Zernike前36項系數、采樣點數為300進行仿真模擬測量;以雙曲面為例進行算法的有效性驗證及噪聲等級變化分析,仿真結果表明:擬合面形殘差PV值為2.6645e-9nm,RMS值為4.6616e-10nm,且當噪聲≤15%時,算法適用性較好。最后,搭建了測量實驗系統(tǒng),其橫向分辨率為107μm,視場大小約為132mm×98mm,使用該系統(tǒng)分別對平面反射、凹球面反射鏡以及自由曲面進行條紋反射測量;平面鏡面形重建結果PV值和RMS值分別約為332nm和74nm,與Zygo干涉儀的測量結果接近;凹球面反射鏡面形矢高值與該球面鏡標稱高度值測量誤差約為10%;同時,本文所搭建的測量系統(tǒng)能夠恢復出被檢自由曲面的面形。研究結果表明了條紋反射法對自由曲面表面形貌檢測的可行性,為以后更高精度自由曲面光學元件的加工及評價提供參考。
【學位單位】：西安工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O43;TH74
【部分圖文】：

簡化系統(tǒng)結構的同時進一步提升光學系統(tǒng)性能，給光學設計人員創(chuàng)造�，F代先進光學制造技術的快速發(fā)展，光學自由曲面加工已經成為可能示出了良好的發(fā)展前景。在軍事上，自由曲面光學元件已經得到了成功超音速巡航導彈以及無人機的光電探測窗口等；在民用領域，如頭盔鏡、汽車車燈及路燈設計等方面，也有自由曲面光學元件的應用[3]；面，哈勃望遠鏡在其修復光學系統(tǒng)中采用一塊自由曲面反射鏡，成功治。除此之外，日常生活中比較常見的激光打印設備中也會用到光學自（a）哈勃望遠鏡中的應用 （b）頭盔顯示器中的應用

貌檢測的國內外現狀面形貌的高精度檢測，目前國內外相關學者己于緩慢發(fā)展階段。目前，大部分的精密光學自球面檢測手段[6]，主要包括三種：輪廓掃描法[13-16]。前國內外對光學自由曲面進行面形測量的一種被測自由曲面逐點掃描，通過探測器的上下移自由曲面的一條輪廓線信息，進而實現自由曲其分為接觸式的機械探頭測量法以及非接觸式典型產品是英國 Taylor Hobson 公司生產的 F2 所示）。該儀器可利用其自帶的μltra Window元件進行表面形狀參數及粗糙度參數的處理與

圖 1.3 PGI 式觸針傳感器測量原理圖式輪廓儀主要由激光器、曲面衍射光柵、觸針、彈簧、測桿曲面衍射光柵裝在測桿的尾端，保證在測量過程中其軸線始測時，觸針與待測光學元件接觸，元件表面的微觀不平便會紋發(fā)生變化，通過分析條紋的變化量就可以得到觸針的垂直測量法是借助于光學探頭來實現面形測量，典型產品有美國Wyko NT9300 光學輪廓儀（如圖1.4所示）、美國OptiPro公司如圖 1.5 所示）、英國 Taylor-Hobson 公司[21 ]的 Luphoscan及荷蘭 TNO 公司[22 ]的 Nanomefos 測量儀。其中，Wyko NT 0.1nm~10mm，單點測量精度可達 10nm，目前處于業(yè)內領先為 8mm[19]；UltraSurf 系列輪廓儀采用低相干光光學探針，可確度可以達到 1μm；Luphoscan 測量系統(tǒng)用反射式多頻激光面進行非接觸式測量，探針通過自由曲面的路徑規(guī)劃實現不量精度可達 100nm PV；Nanomefos 測量設備利用差動共焦傳
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本文編號：2891721