光學(xué)自由曲面子孔徑拼接干涉檢測(cè)技術(shù).pdf

1、光學(xué)自由曲面因其表面自由度較大，可以針對(duì)性地提供或矯正不同的軸上或軸外像差，同時(shí)滿(mǎn)足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)高性能，輕量化和微型化的要求，從而逐漸開(kāi)始成為現(xiàn)代光學(xué)工程領(lǐng)域的新寵。雖然在設(shè)計(jì)，加工，檢測(cè)等方面穩(wěn)步發(fā)展，然而成像領(lǐng)域?qū)τ诠鈱W(xué)元件面形的高精度要求卻限制了自由曲面的大規(guī)模應(yīng)用。尤其，自由曲面的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為制約其應(yīng)用的最重要因素。
　　干涉測(cè)量法作為目前精度最高的檢測(cè)手段之一，已經(jīng)在光學(xué)平面，球面乃至非球面的檢測(cè)領(lǐng)域得到了一致公認(rèn)。

2、借助于專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的補(bǔ)償器，可以實(shí)現(xiàn)高精度的零位干涉檢測(cè)，但是零位補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)、檢測(cè)和裝調(diào)都會(huì)引入誤差。而對(duì)于那些非規(guī)則、非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的光學(xué)自由曲面，必須使用專(zhuān)門(mén)的CGH進(jìn)行補(bǔ)償。而CGH元件加工成本高，難度大，且難于調(diào)整等特性使其測(cè)量范圍和測(cè)量精度均受到限制。因此，人們將目光轉(zhuǎn)向了子孔徑拼接技術(shù)，雖然子孔徑拼接檢測(cè)技術(shù)在大口徑球面和中度非球面的檢測(cè)中呈現(xiàn)出高檢測(cè)精度的特點(diǎn)，但在非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的自由曲面檢測(cè)中的應(yīng)用依然沒(méi)有實(shí)質(zhì)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(cè)(Free form surface subaperture stitchinginterferometry，F(xiàn)SSI)技術(shù)與系統(tǒng)，將子孔徑拼接干涉檢測(cè)技術(shù)成功運(yùn)用于自由曲面檢測(cè)。主要研究?jī)?nèi)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(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)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(shí)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(shù)基礎(chǔ)。
　　針對(duì)自由曲面的定位匹配難題，提出了一套自由曲面實(shí)驗(yàn)與仿真的匹配方法，主要研究了自由曲面旋轉(zhuǎn)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(cè)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(chǔ)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(gòu)(Multi-aperture simultaneous reverse

5、optimizing reconstruction，MSROR)算法;通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真研究了MSROR算法的面形檢測(cè)精度。該研究為FSSI提供了高精度算法，是FSSI技術(shù)的最重要的組成部分。同時(shí)，將MSROR算法成功應(yīng)用于非球面頂點(diǎn)曲率半徑精確測(cè)量。
　　研究了FSSI樣機(jī)布局裝配與誤差標(biāo)定技術(shù)。討論了實(shí)際FSSI實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的布局與裝配，并分析了影響FSSI技術(shù)精度的主要因素;繼而，進(jìn)行FSSI系統(tǒng)的誤差標(biāo)定，提出了以FSSI系統(tǒng)為代

6、表的非零位干涉檢測(cè)系統(tǒng)誤差標(biāo)定方法:逆向優(yōu)化誤差標(biāo)定法，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了FSSI系統(tǒng)經(jīng)過(guò)誤差標(biāo)定后對(duì)于球面的高檢測(cè)精度，為最終的FSSI實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)提供了實(shí)際精度保證。
　　對(duì)FSSI技術(shù)與系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。完成了淺度拋物面（偏離頂點(diǎn)球9μm）頂點(diǎn)球曲率半徑的測(cè)量，測(cè)量相對(duì)精度達(dá)到0.016％;非球面（偏離頂點(diǎn)球50μm）環(huán)形子孔徑拼接實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比于ZYGO verifire子孔徑掃描干涉儀檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)精度優(yōu)于1/50λ（rms）