自由曲面表面形貌的条纹反射检测技术研究

论文摘要

自由曲面光学元件因具有较多的设计自由度,可以提高光学系统性能,简化系统结构,逐渐成为了国内外相关研究热点。但同时,多的表面自由度又使得其面形检测变得十分困难,目前大部分的精密光学自由曲面检测手段仍然沿用非球面检测方法。条纹反射法作为一种有效的光学检测手段,其结构简单,测量速度快,同时不受被检光学元件几何面形的限制,为非球面、自由曲面的测量提供了一种新的思路。本文以实现自由曲面表面形貌的条纹反射检测为最终目的,阐述了目前自由曲面检测以及条纹反射镜面检测的研究现状,对条纹反射检测法展开深入研究。首先,通过推导相位与梯度的映射关系建立了检测系统物理模型,给出了系统各参数的理论计算公式,其高度分辨率可以达到nm量级,动态范围可到百万。其次,进行了条纹反射检测系统的标定技术研究,基于2D平面标定靶的标定原理完成了CCD相机的内、外参数标定,标定板上特征点的重投影误差RMS值为0.06 pixel;根据相机标定结果,分别进行了参考平面及LCD显示屏的空间位置标定,并给出了系统的几何参数计算方法。然后,分析对比了十字路径积分法、傅里叶全局积分法以及区域波前重建法三种常用的梯度数据积分方法,研究了一种基于Zernike正交多项式的面形重建方法,分析了不同项数及采样点数对重建结果的影响,选择Zernike前36项系数、采样点数为300进行仿真模拟测量;以双曲面为例进行算法的有效性验证及噪声等级变化分析,仿真结果表明:拟合面形残差PV值为2.6645e-9nm,RMS值为4.6616e-10nm,且当噪声≤15%时,算法适用性较好。最后,搭建了测量实验系统,其横向分辨率为107μm,视场大小约为132mm×98mm,使用该系统分别对平面反射、凹球面反射镜以及自由曲面进行条纹反射测量;平面镜面形重建结果PV值和RMS值分别约为332nm和74nm,与Zygo干涉仪的测量结果接近;凹球面反射镜面形矢高值与该球面镜标称高度值测量误差约为10%;同时,本文所搭建的测量系统能够恢复出被检自由曲面的面形。研究结果表明了条纹反射法对自由曲面表面形貌检测的可行性,为以后更高精度自由曲面光学元件的加工及评价提供参考。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 自由曲面表面形貌检测的国内外现状

1.2.2 条纹反射检测技术的国内外现状

1.3 本课题的主要研究内容

1.4 论文章节安排

2 条纹反射检测理论基础研究

2.1 条纹反射检测法

2.1.1 检测物理模型的建立

2.1.2 检测方法的类型

2.2 检测系统参数分析

2.2.1 横向分辨率

2.2.2 高度分辨率

2.2.3 动态范围

2.2.4 全局精度

2.3 相位提取及展开技术研究

2.3.1 相移法

2.3.2 相位解包裹

2.4 本章小结

3 检测系统标定技术研究

3.1 CCD相机标定技术研究

3.1.1 CCD相机标定基本理论

3.1.2 基于平面标定靶的相机标定原理

3.1.3 CCD相机标定实验

3.2 系统几何结构标定技术研究

3.2.1 参考平面位置标定

3.2.2 显示屏空间位置标定

3.2.3 系统几何参数计算

3.3 本章小结

4 三维面形重建算法研究

4.1 传统的三维面形重建算法

4.1.1 十字路径积分法

4.1.2 傅里叶变换积分法

4.1.3 区域波前重建法

4.2 基于Zernike多项式的三维面形重建算法

4.2.1 面形重建数学模型

4.2.2 仿真结果与分析

4.3 本章小结

5 条纹反射镜面三维面形测量实验研究

5.1 实验系统的搭建

5.2 检测实验与分析

5.2.1 平面镜面形恢复实验

5.2.2 球面反射镜面形重建实验

5.2.3 自由曲面表面形貌的条纹反射检测

5.3 实验误差源分析

5.3.1 标定误差

5.3.2 算法误差

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 韩路

导师: 田爱玲

关键词: 光学检测,自由曲面,条纹反射,系统标定,面形重建

来源: 西安工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,仪器仪表工业

单位: 西安工业大学

分类号: O43;TH74

DOI: 10.27391/d.cnki.gxagu.2019.000284

总页数: 83

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