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高精度点衍射球面干涉检测技术及系统研究

作　者: 王道档
导　师: 杨甬英
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 光学检测点衍射干涉技术针孔点衍射测量误差球面
分类号: TH744.3
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光学球面元件由于易加工、成本低等优点,在现代精密光学系统中得到了广泛的应用。随着微电子、航天航空等高科技前沿领域对于光学球面面形精度的不断提高,同时也对球面检测精度提出了很高的要求。虽然Twyman-Green型、Fizeau型球面干涉检测系统以及绝对检测法等传统球面干涉检测技术仍是目前应用最广的检测手段,但其精度都受到了参考标准镜面形精度的限制,因而难以满足高精度球面检测的需要。而作为一种新型的高精度球面检测手段,点衍射干涉检测技术可实现亚纳米量级的检测精度,并具有很好的精度再现性。目前,该技术是目前国内外再高精度面形检测领域的一个重要研究热点,尤其是国内在该技术领域的研究尚不成熟,仍有许多关键技术和问题亟待深入研究解决。本论文主要研究的是可用于高精度球面检测的针孔式点衍射干涉检测技术和系统、点衍射波前精确仿真模型、系统精度影响因素及其高精度校正技术、数据测量和图像处理技术等。该研究对于实现高精度球面、尤其是大数值孔径球面的检测技术有着重要意义。主要研究内容包括：论述了高精度球面检测技术在现代光学测试及系统仪器中的重要应用意义。综合国内外球面检测技术研究进展情况,提出了可用于球面高精度检测的点衍射干涉检测技术及系统的必要性。构建了基于有限时域差分算法的针孔点衍射波前精确仿真模型,并对影响针孔点衍射波前质量的针孔厚度、尺寸、数值孔径范围以及针孔入射波前像差等主要相关因素进行了分析。利用仿真结果,可为点衍射干涉检测系统的相关器件参数设计提供可靠的数值依据。针对高精度球面检测问题,提出了一套完备的针孔式点衍射球面干涉检测技术及系统方案。并结合实际应用要求,详细论述了检测系统中的关键技术和元器件的设计要求及其依据。分析了PZT移相器在微位移过程中的端面旋转以及非线性问题,并在分析模型基础上,提出了一种基于干涉条纹分析技术的PZT移相器在线检测技术,根据采集的干涉条纹状态实时分析PZT移相器的端面旋转状态和微位移量,进而实现多步移相干涉检测中相移量的精确控制。研究了高精度球面、尤其是大数值孔径球面检测中的待测球面调整误差问题,详细分析并精确推导了球面调整误差的表现形式以及波面检测结果的影响。提出了基于波前差分的高精度球面调整误差校正方法,并进行了数值仿真和实验验证。分析了高精度点衍射球面干涉检测系统中的主要误差因素,并对其进行了理论建模、实验及仿真分析,提出了相应的高精度校正方法及处理技术。研究了高精度点衍射球面干涉检测系统所能实现的理论检测精度,其RMS值达到了近0.0010λ。该分析不但有利于点衍射球面干涉检测系统的高精度实现,还可为其进一步提高、改进提供可行的方案。设计建立了一套高精度点衍射球面干涉检测原理性实验系统,将高反射率和低反射率球面的实际面形检测结果与Zygo干涉仪进行比较,实现精度PV值优于0.0100λ、RMS值优于0.0020λ,并且重复性精度PV值和RMS值分别优于0.0050λ和0.0010λ,达到了预期实验结果,进而对所提出的检测技术及系统进行了原理性实验论证。总结了本论文所开展的工作,对下一步工作和研究方向进行展望并提出相关建议。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-11
目录  11-14
图目录  14-18
表目录  18-19
第1章绪论  19-33
  1.1 球面检测技术的研究意义  19-21
  1.2 国内外球面检测技术研究进展  21-30
    1.2.1 传统球面干涉检测法  22-26
    1.2.2 点衍射球面干涉检测法  26-30
  1.3 本论文的主要研究内容和完成的工作  30-31
  1.4 本论文的主要创新点  31-33
第2章基于有限时域差分算法的点衍射波前质量分析  33-45
  2.1 基于FDTD算法的针孔衍射波前质量分析仿真原理  34-40
    2.1.1 基于FDTD算法的针孔点衍射近场仿真原理  34-38
    2.1.2 衍射近远场分布变换  38-39
    2.1.3 远场波前的处理评价  39-40
  2.2 基于FDTD算法的针孔衍射波前质量仿真结果  40-44
    2.2.1 针孔点衍射波前仿真模型参数  40-41
    2.2.2 针孔点衍射波前仿真分析  41-44
  2.3 小结  44-45
第3章高精度点衍射球面干涉检测原理与方案  45-60
  3.1 高精度点衍射球面检测系统布局及原理  45-46
  3.2 激光器光源要求  46-47
    3.2.1 输出功率选择  46-47
    3.2.2 相干长度要求  47
  3.3 衍射掩模板设计及分析  47-54
    3.3.1 玻璃基底设计  48
    3.3.2 针孔反射镜设计  48-51
    3.3.3 衍射针孔加工和评价  51-54
  3.4 检测系统光束偏振态选择  54-58
    3.4.1 针孔反射镜金属介质的偏振效应  55-56
    3.4.2 金属反射介质偏振效应影响的仿真分析  56-58
  3.5 小结  58-60
第4章高精度面形干涉检测系统中的PZT移相器在线检测技术  60-77
  4.1 基于干涉条纹分析技术的PZT移相器在线检测原理  60-68
    4.1.1 端面转角测量原理  61-66
    4.1.2 基于模板匹配算法的微位移测量原理  66-68
  4.2 基于干涉条纹分析技术的PZT移相器检测方法论证  68-74
    4.2.1 端面转角测量方法的计算机仿真  69-72
    4.2.2 基于模板匹配算法的微位移测量实验验证  72-74
  4.3 PZT移相器在线检测实验及分析  74-75
  4.4 小结  75-77
第5章球面干涉检测中的高精度调整误差校正方法  77-97
  5.1 球面调整误差引入波像差分析  77-83
    5.1.1 波前倾斜引入调整误差分析  78-80
    5.1.2 波前离焦引入调整误差分析  80-83
  5.2 传统调整误差校正方法  83-84
  5.3 基于波前差分的高精度球面调整误差校正方法  84-88
    5.3.1 调整误差校正原理  84-87
    5.3.2 调整误差校正处理过程  87-88
  5.4 基于波前差分的高精度球面调整误差校正方法计算机仿真  88-91
  5.5 基于波前差分的高精度球面调整误差校正方法的实验论证  91-95
    5.5.1 调整误差校正实验  92-94
    5.5.2 实验误差因素分析  94-95
  5.6 小结  95-97
第6章高精度点衍射球面干涉检测系统误差分析  97-119
  6.1 系统误差  98-108
    6.1.1 参考球面波前误差  98-99
    6.1.2 斜反射波前像差及波片旋转补偿校正法  99-102
    6.1.3 其他系统误差  102-108
  6.2 随机误差  108-114
    6.2.1 激光器稳定性  108-111
    6.2.2 针孔反射镜表面粗糙度  111-114
    6.2.3 球面调整误差  114
  6.3 环境误差  114-117
    6.3.1 温度和压强影响  114-116
    6.3.2 振动影响  116-117
  6.4 系统理论检测精度分析  117-118
  6.5 小结  118-119
第7章高精度点衍射球面干涉检测实验及数据分析  119-133
  7.1 高精度点衍射球面干涉检测系统实验布局  119-124
  7.2 点衍射光斑参数测量分析  124-126
    7.2.1 点衍射光斑孔径角  124-125
    7.2.2 点衍射光能量效率  125-126
  7.3 高精度点衍射球面干涉检测实验结果和分析  126-132
    7.3.1 点衍射球面干涉检测实验结果  126-129
    7.3.2 球面检测实验结果分析和系统重复性精度测量  129-132
  7.4 小结  132-133
第8章总结与展望  133-138
  8.1 本论文完成工作总结  133-135
  8.2 本论文主要创新点  135-136
  8.3 下一步工作展望  136-138
参考文献  138-148
作者简历及攻读博士学位期间所取得的科研成果  148-150
  一、作者简历  148
  二、发表及录用的论文  148-150
  三、申请及授权的国家发明专利  150

高精度点衍射球面干涉检测技术及系统研究

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