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大口径非球面数字刀口仪测试技术研究

作　者: 王小鹏
导　师: 朱日宏
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 非球面测量数字刀口仪面形
分类号: O439
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着非球面光学元件加工工艺的不断改进,非球面光学元件已在航空、航天、天文望远镜、军事、民用等各个领域得到广泛应用。光学检测和光学加工一直以来都是光学工业发展的两大课题,随着高精度数控机床等现代非球面加工工艺的发展,非球面光学元件的加工精度得到不断提升,为了适应非球面光学元件的加工现状,研究工作者发展了许多非球面光学元件检测的新技术和新方法。现有的非球面光学元件检测方法主要有干涉法、轮廓法、计算全息法、哈特曼法以及刀口法等,但都存在着各自不同的局限性,没有完全解决非球面光学元件面形检测问题。本论文在综合分析各种非球面光学元件面形测量方法的基础上,着重研究了数字化刀口仪对大口径非球面光学元件的面形进行定量检测技术和方法。刀口仪具有灵敏度高、直观性强、操作方便、简单灵活、成本低、环境适用性强等特点,非常适合检验大口径长焦距光学元件的面形。数字刀口仪具有刀口仪的优点,并结合计算机技术以及数字图像处理技术对刀口仪进行数字化,是非球面光学元件面形检测的发展方向之一。本论文研究大口径非球面光学元件面形的数字刀口仪定量检测技术和检测方法,通过理论分析和实验研究解决了以下关键问题。①根据刀口检验原理,构建了数字刀口仪光学元件面形检测装置。研究和介绍了数字刀口仪光路、结构以及软件等实现方法和设计方案,具体内容包括数字刀口仪光源设计和光源的结构安排、刀口结构设计以及三维移动平台的设计、图像接收器件CCD的选择以及性能分析、刀口定量分析计算软件设计以及软件流程等。②研究了数字刀口仪定量计算的理论基础。建立了刀口切割光斑过程中,灰度值变化的数学模型,并依据该数学规律建立了数据拟合的几何模型。分别用函数逼近、最小二乘法、分割数据法等数据拟合方法对CCD像面上的每一个像素的灰度变化规律进行拟合,得到暗阈值对应的刀口位置,从而得到了被测光学元件表面由于面形差造成的自准直光线偏离理想焦点位置的偏离值,这是实现数字刀口仪光学元件面形定量检测的基础和关键。其中,分割数据法进行拟合具有运算量小、精度高等优点,降低了数字刀口仪处理软件的运算复杂度和时间复杂度。③利用VC++环境开发了数字刀口仪定量计算分析软件,该软件可对刀口切割过程进行控制,具有图像采集、处理和存储功能,最后根据刀口切割过程中CCD像素上每一个灰度值的变化规律,进行数据分析、拟合和计算,实现了被测光学元件的面形重构,计算出被测光学元件的PV值和RMS值,同时绘制出被测光学元件的二维和三维面形图。此外,软件还具有图像回放功能,可对切割过程中灰度变化的情况进行回放,从而能够更直观的观察被测光学元件的面形变化情况。④利用数字刀口仪光学元件面形检测装置对大口径长焦距的球面、抛物面等光学元件的面形进行了定量检测,给出了检测结果。同时,将数字刀口仪测量结果与干涉仪测量结果相比较,测量结果的一致性为0.01μm,从而证明了本课题研制的数字刀口仪的正确性和有效性。⑤对数字刀口仪面形定量检测的结果进行了详细的不确定度分析,给出提高测量精度的主要技术。通过本论文的研究,研制了一套数字刀口仪,不仅具有传统刀口仪的优点,同时增加了定量分析和计算的内容,因此开展本课题研究不仅具有十分重要的科学意义,而且具有重要的实际应用价值。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
图表索引  12-15
1 绪论  15-34
  1.1 引言  15
  1.2 国内外非球面检测技术现状与发展趋势  15-31
    1.2.1 轮廓法  16-17
    1.2.2 干涉法  17-22
    1.2.3 大口径非球面干涉检测的其他方法  22-26
    1.2.4 计算全息法  26-27
    1.2.5 原子力显微镜检测法  27-29
    1.2.6 哈特曼-夏克检测法  29-30
    1.2.7 刀口法  30-31
  1.3 本论文主要研究工作  31-34
2 数字刀口仪设计方案  34-60
  2.1 刀口仪工作原理  35-38
    2.1.1 理想球面波的阴影图及其变化规律  35-36
    2.1.2 球面上有局部变形的阴影图  36
    2.1.3 刀口阴影判断准则  36-37
    2.1.4 有带区误差的阴影图  37-38
  2.2 数字刀口仪实现方法  38-46
    2.2.1 数字刀口仪定量计算的理论基础  38-39
    2.2.2 数字刀口仪设计思想  39-42
    2.2.3 非球面光学元件的分类及其特点  42-44
    2.2.4 数字刀口仪测量光学元件面形时的结构安排  44-46
  2.3 数字刀口仪光源设计  46-50
    2.3.1 光源设计方案  46-48
    2.3.2 光源结构设计  48-50
  2.4 数字刀口仪刀口设计  50-53
    2.4.1 刀口结构设计  50-51
    2.4.2 刀口转动部分结构设计  51
    2.4.3 刀口X-Y-Z平移部分结构设计  51-53
  2.5 图像接收器件CCD的选择  53-54
  2.6 计算软件设计  54-59
    2.6.1 刀口测试模块  55-56
    2.6.2 径向波差模块  56-57
    2.6.3 三维波差模块  57-58
    2.6.4 测试结论模块  58-59
    2.6.5 软件测量过程  59
  2.7 本章小结  59-60
3 数字刀口仪面形定量分析理论计算  60-88
  3.1 几何像差的产生与定义  61-65
    3.1.1 球差  61-62
    3.1.2 彗差  62-63
    3.1.3 像散  63-64
    3.1.4 奇变  64-65
  3.2 数字刀口仪灵敏度分析  65-69
    3.2.1 离焦产生的波像差  65-67
    3.2.2 离焦产生的波像差补偿方法  67-69
  3.3 数字刀口仪暗阈值分析方法  69-81
    3.3.1 理论研究  69-71
    3.3.2 曲线拟合  71
    3.3.3 CCD像素灰度的典型变化  71-73
    3.3.4 波尔兹曼数据处理模型  73-74
    3.3.5 函数逼近处理方法  74-76
    3.3.6 最小二乘法数据拟合  76-77
    3.3.7 分割数据法曲线拟合  77-80
    3.3.8 软件实现方法  80-81
  3.4 数字刀口仪面形重构  81-86
    3.4.1 球差的刀口阴影图  82-84
    3.4.2 CCD图像离散化  84
    3.4.3 参考面的获取方法  84-85
    3.4.4 面形重构  85-86
  3.5 本章小结  86-88
4 数字刀口仪测量实验  88-103
  4.1 数字刀口仪工作过程  88-92
    4.1.1 被测光学元件的调整  88-90
    4.1.2 CCD的调整  90
    4.1.3 刀口的调整  90-92
  4.2 实验装置图  92-94
  4.3 数字刀口仪光学元件面形检测结果  94-101
    4.3.1 球面测量结果  94-99
    4.3.2 数字刀口仪抛物面测量结果  99-101
  4.4 本章小结  101-103
5 误差分析  103-107
  5.1 数字刀口仪不确定度分析  103-104
  5.2 A类不确定度  104-105
  5.3 B类不确定度  105-106
  5.4 扩展不确定度  106
  5.5 本章小结  106-107
6 结论与展望  107-111
  6.1 非球面光学元件的加工难点  107-108
  6.2 本论文完成的主要工作  108-109
  6.3 主要创新点  109-110
  6.4 进一步改进方面  110-111
攻博期间发表的论文  111-112
致谢  112-114
参考文献  114-119

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