大口径非球面在线检测方法研究

【摘要】：随着国防与尖端科学技术的发展,大口径光学系统在天文光学、空间探索和激光惯性约束核聚变等领域得到了越来越广泛的应用。大口径非球面光学元件在提高光学系统的成像质量、减轻重量和提高光学特性等方面有着优良的特性。但由于非球面的面形复杂,其光学表面加工精度受到面形检测精度的限制,现有的检测技术已不能满足其大口径、高精度测量的要求。因此,研究一种高精度的在线检测非球面技术并反馈加工已经成为解决光学元件加工的关键所在。本课题采用横向剪切干涉测量法检测大口径抛物镜面形。横向剪切干涉测量方法是一种不需要参考镜的自相干涉测量方法,但由于其干涉条纹非常复杂,所以针对其干涉条纹图的复杂性,研究其波前重建方法,具有重要意义和应用价值。本课题基于横向剪切干涉原理研究其波面重建方法,主要研究工作为：首先,介绍了相移式横向剪切干涉法的基本原理,运用MATLAB软件仿真获得了四步相移横向剪切干涉图,然后编写程序对其进行模拟验证。采用时域相移法得到相位分布,经解包裹、进行采样点和剪切量的选取、Zernike波面拟合后得到被测面的面形信息。针对Φ160mm的抛物面形(PV=8.3949λ, RMS=2.3096λ)进行仿真,最终获得了面形(PV=9.2150λ, RMS=2.4125λ)。其次,在采用横向剪切干涉法测量的二维波前重建中,重点研究采样点数和剪切量大小对非球面重建精度的影响。由于Zernike系数在圆域上正交,而剪切干涉的区域并不是圆域；并且针对一定干涉区域,剪切量大,采样点数就会受到限制,剪切量小,波面信息量就会减少。所以对拟合时选取的有效采样点数和剪切量做了详细的研究。针对同一抛物面面形进行仿真,发现最适合的剪切量是其被测口径的十分之一左右大小即16mm,此时只需要对其选取49个离散数据采样点,利用泽尼克多项式拟合的方法就能得到二维波面的形貌。最后,利用实验室搭建的相移式横向剪切干涉仪进行试验,对实验中获得的横向剪切干涉图中进行处理分析,并对实验过程中的系统误差进行了分析,最终获得被测波面面形(PV=0.3629λ, PMS=0.0357λ)。
【关键词】：非球面检测 横向剪切干涉 波前重建 Zernike多项式
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH74