基于部分零位補償透鏡的非球面通用化檢測技術研究.pdf

1、非球面光學元件在各領域中得到越來越廣泛的應用。近年來，光學元件加工技術發(fā)展迅速，面形加工精度可達納米量級，但非球面的高精度通用化檢測一直是一項具有挑戰(zhàn)的課題。干涉測量法具有高精度、高靈敏度、重復性好等優(yōu)點，是面形高精度檢測的常用方法，其中非零位法又可在一定程度上提高測量通用性。美國、英國、德國及國內等多個研究團隊分別基于不同的非零位檢測原理，對非球面的干涉檢測展開研究。
　　本文在課題組已有的工作基礎上，基于部分零位補償透鏡，研究

2、非球面的通用化檢測技術。從理論設計、軟件與算法保證和硬件控制等三個方面進行研究和討論，解決非球面通用化檢測過程中的關鍵技術問題，利用所搭建的檢測系統(tǒng)樣機完成實驗驗證。
　　建立部分零位補償透鏡體系，實現(xiàn)非球面通用化補償。分析采用非球面波作為入射被測面的檢測波相對于采用球面入射波的優(yōu)勢;通過直接限定正向補償中干涉波前的最大斜率保證條紋可被分辨、以及控制光線由像面逆向映射至被測面時二者空間坐標一一順序對應以避免采樣數(shù)據(jù)混淆影響面形重構

3、，實現(xiàn)雙向約束的部分零位補償透鏡優(yōu)化設計;提出基于雙向約束的補償透鏡通用化檢測能力分析方法，構建和優(yōu)化部分零位補償透鏡體系;建立體系的補償范圍數(shù)據(jù)庫，以少數(shù)補償透鏡實現(xiàn)對較大參數(shù)范圍內非球面的通用化補償并對被測面實現(xiàn)最佳補償透鏡的快速匹配。為基于部分零位補償透鏡的非球面通用化檢測提供理論可行性分析和硬件設計基礎。
　　研究非零位檢測的回程誤差校正算法。介紹回程誤差校正的研究現(xiàn)狀，提出固有回程差和不可預知回程誤差的劃分概念，從這一角

4、度分析三種常用算法的原理與校正能力;提出雙次追跡法用于轉換面形誤差的表征方向、以及面形誤差的中高頻信息恢復算法，對重構面形誤差進行統(tǒng)一表征;研究三種常用回程誤差校正算法的校正能力以及對被測面的位姿容差，以指導不同檢測條件下的校正算法選擇和被測面位姿精度的控制，從算法層面保證非球面檢測較高的通用化程度和重構面形的理論精度。
　　構建通用型非球面檢測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)并設計檢測系統(tǒng)軟件。實現(xiàn)脫離商用光學設計軟件的實際干涉檢測系統(tǒng)模型仿真，完

5、成干涉波前的回程誤差校正，提出非線性優(yōu)化求解較優(yōu)算法;在同一平臺構建通用型非球面檢測數(shù)據(jù)處理與檢測流程控制系統(tǒng)，設計檢測系統(tǒng)測試軟件，避免多平臺、多軟件之間的復雜操作以及依托商用光學設計軟件時的高昂成本和程序冗余，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自主通用化處理，為非球面的通用化檢測提供軟件保障。
　　研究關鍵元件的位姿誤差控制方法。分析部分零位補償透鏡和非球面誤差對干涉波前的影響，介紹已有的調整方法和誤差控制精度;提出基于雙光路成像的元件姿態(tài)誤差控制方法

6、，以及利用數(shù)據(jù)庫匹配和優(yōu)化搜索的非球面定位方法，提高方法通用性和調整效率，同時簡化系統(tǒng)結構，為保障檢測結果的精度提供通用、高效的硬件控制方法。
　　對基于部分零位補償透鏡的非球面檢測技術與系統(tǒng)進行實驗驗證。設計加工一組部分零位補償透鏡體系，完成對關鍵元件的位姿誤差控制、基于部分零位補償透鏡的非球面檢測以及不同檢測條件下回程誤差校正算法對重構結果的影響驗證。證明基于部分零位補償透鏡可以實現(xiàn)非球面的通用化檢測，測量結果與零位法檢測結果