光學自由曲面子孔徑拼接干涉檢測技術.pdf

1、光學自由曲面因其表面自由度較大，可以針對性地提供或矯正不同的軸上或軸外像差，同時滿足現(xiàn)代光學系統(tǒng)高性能，輕量化和微型化的要求，從而逐漸開始成為現(xiàn)代光學工程領域的新寵。雖然在設計，加工，檢測等方面穩(wěn)步發(fā)展，然而成像領域對于光學元件面形的高精度要求卻限制了自由曲面的大規(guī)模應用。尤其，自由曲面的檢測技術已經成為制約其應用的最重要因素。
　　干涉測量法作為目前精度最高的檢測手段之一，已經在光學平面，球面乃至非球面的檢測領域得到了一致公認。

2、借助于專門設計的補償器，可以實現(xiàn)高精度的零位干涉檢測，但是零位補償器的設計、檢測和裝調都會引入誤差。而對于那些非規(guī)則、非旋轉對稱的光學自由曲面，必須使用專門的CGH進行補償。而CGH元件加工成本高，難度大，且難于調整等特性使其測量范圍和測量精度均受到限制。因此，人們將目光轉向了子孔徑拼接技術，雖然子孔徑拼接檢測技術在大口徑球面和中度非球面的檢測中呈現(xiàn)出高檢測精度的特點，但在非旋轉對稱的自由曲面檢測中的應用依然沒有實質性的突破。
　

3、　本文提出了一套自由曲面子孔徑拼接干涉檢測(Free form surface subaperture stitchinginterferometry，F(xiàn)SSI)技術與系統(tǒng)，將子孔徑拼接干涉檢測技術成功運用于自由曲面檢測。主要研究內容包括:
　　研究了FSSI系統(tǒng)方案與仿真方法，基于自由曲面的非旋轉對稱性，提出了非常規(guī)子孔徑拼接理念;研究了非常規(guī)子孔徑的劃分方法，步驟并給出了劃分實例;研究了非常規(guī)子孔徑波前的表征方法，為FSSI的

4、提供了原理方案與技術基礎。
　　針對自由曲面的定位匹配難題，提出了一套自由曲面實驗與仿真的匹配方法，主要研究了自由曲面旋轉匹配方法，軸向定位匹配方法和位姿誤差匹配方法。完成了被測面的高精度匹配建模，成為FSSI系統(tǒng)精度的有力保障。
　　在子孔徑劃分完成和全口徑精確定位匹配建模的基礎上，研究了非常規(guī)子孔徑拼接算法。提出了基于系統(tǒng)模型的多孔徑同步逆向優(yōu)化重構(Multi-aperture simultaneous reverse

5、optimizing reconstruction，MSROR)算法;通過計算機仿真研究了MSROR算法的面形檢測精度。該研究為FSSI提供了高精度算法，是FSSI技術的最重要的組成部分。同時，將MSROR算法成功應用于非球面頂點曲率半徑精確測量。
　　研究了FSSI樣機布局裝配與誤差標定技術。討論了實際FSSI實驗樣機的布局與裝配，并分析了影響FSSI技術精度的主要因素;繼而，進行FSSI系統(tǒng)的誤差標定，提出了以FSSI系統(tǒng)為代

6、表的非零位干涉檢測系統(tǒng)誤差標定方法:逆向優(yōu)化誤差標定法，并實驗驗證了FSSI系統(tǒng)經過誤差標定后對于球面的高檢測精度，為最終的FSSI實驗實現(xiàn)提供了實際精度保證。
　　對FSSI技術與系統(tǒng)進行了實驗驗證研究。完成了淺度拋物面（偏離頂點球9μm）頂點球曲率半徑的測量，測量相對精度達到0.016％;非球面（偏離頂點球50μm）環(huán)形子孔徑拼接實驗結果相比于ZYGO verifire子孔徑掃描干涉儀檢測結果，檢測精度優(yōu)于1/50λ（rms）