【摘要】：隨著科技的不斷發(fā)展,各個(gè)科學(xué)研究領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)系統(tǒng)的精度與分辨率的要求不斷提高,各種新型光學(xué)元件不斷涌現(xiàn)。其中自由曲面光學(xué)元件的誕生,進(jìn)一步推動(dòng)了光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展,自由曲面光學(xué)元件的表面面型精度會(huì)直接影響到光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量與光學(xué)性能。然而這類光學(xué)元件具有表面自由度多、不對(duì)稱、傾角大的特點(diǎn),因此難以用傳統(tǒng)方式對(duì)信號(hào)光進(jìn)行收集;且對(duì)于大口徑自由曲面光學(xué)元件的三維輪廓測(cè)量,存在整體測(cè)量速度慢的問題,因此如何在保證測(cè)量精度的前提下,快速完成對(duì)自由曲面光學(xué)元件的三維輪廓測(cè)量任務(wù),是目前計(jì)量領(lǐng)域的難題之一。本課題基于共焦掃描光學(xué)成像原理,利用諧振鏡高速橫向掃描的特點(diǎn),整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)采用橫向和軸向同時(shí)運(yùn)動(dòng)的策略,提出了一種針對(duì)自由曲面輪廓測(cè)量的光斑追跡式快速掃描方法,完成了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的硬件裝配與軟件設(shè)計(jì),同時(shí)針對(duì)幾種典型的輪廓濾波的方法進(jìn)行了深入分析。完成的主要內(nèi)容如下:(1)基于傳統(tǒng)共焦光學(xué)掃描成像理論,構(gòu)建了樣品表面相干共焦掃描成像三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的理論模型;此外,針對(duì)大口徑自由曲面的輪廓測(cè)量問題,提出了光斑追跡式快速掃描策略,并用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了掃描策略的可行性;(2)為了實(shí)現(xiàn)本測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量功能及性能指標(biāo),設(shè)計(jì)并搭建了共焦掃描測(cè)量光路,完成了對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行相應(yīng)的選型、裝配與調(diào)試工作;完成了對(duì)包絡(luò)提取模型的建立;并基于Labview軟件平臺(tái),完成了對(duì)系統(tǒng)各軟件模塊的設(shè)計(jì),保證測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度快速測(cè)量的功能;(3)為了進(jìn)一步提取出高精度自由曲面元件輪廓,本課題針對(duì)自由曲面樣品表面輪廓濾波的問題,開展了對(duì)適用于所提出的快速掃描方法的幾種輪廓濾波方法的研究,并完成了以下仿真實(shí)驗(yàn):分別將傳統(tǒng)高斯濾波器、基于延拓的高斯濾波器、三次樣條濾波器以及一般樣條濾波器作用于含有噪聲與誤差的自由曲面輪廓,分析了各濾波器的濾波特性;(4)進(jìn)行了在光斑追跡掃描模式下的單點(diǎn)包絡(luò)檢測(cè)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的可行性。此外,分別進(jìn)行了在逐點(diǎn)掃描模式下及光斑追跡模式下的平面鏡輪廓線測(cè)量實(shí)驗(yàn)、凸球面鏡輪廓母線實(shí)驗(yàn)及凹非球面鏡輪廓母線測(cè)量實(shí)驗(yàn),并分別對(duì)比了兩種掃描策略的測(cè)量精度與測(cè)量速度。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH74;O439
【圖文】：

[6-7]。圖1-1 自由曲面光學(xué)元件實(shí)物圖然而，自由曲面具有表面自由度多、不對(duì)稱、傾角大等特點(diǎn)，受其影響，用傳統(tǒng)光學(xué)檢測(cè)手段難以對(duì)信號(hào)光進(jìn)行收集，無法完成對(duì)其三維輪廓的測(cè)量任務(wù)。而機(jī)械探針掃描方式，容易在精密元件表面留下劃痕，對(duì)光學(xué)元件造成損傷。此外，對(duì)于大口徑自由曲面光學(xué)元件的三維輪廓測(cè)量，存在整體測(cè)量速度慢，掃描效率低的問題。因此如何在保證測(cè)量精度的前提下，解決以上問題，顯得意義十分重大。綜上所述，本課題研究的目的和意義在于：利用諧振鏡高速橫向掃描的特點(diǎn)，采用橫向和軸向同時(shí)運(yùn)動(dòng)的掃描策略，設(shè)計(jì)特殊算法，在保證原有測(cè)量精度的基礎(chǔ)上

但是由于部分零位檢測(cè)系統(tǒng)中部分零位補(bǔ)償鏡的引入，會(huì)給干涉圖樣的檢測(cè)結(jié)果帶來回程誤差。圖1-2 三維輪廓測(cè)量方法主要分類1.3 快速掃描技術(shù)研究現(xiàn)狀1.3.1 機(jī)械探針掃描技術(shù)探針掃描技術(shù)是目前最為常用的一類對(duì)精密元件進(jìn)行表面三維輪廓測(cè)量的有效手段，其主要分為機(jī)械接觸式探針掃描技術(shù)和光學(xué)非接觸式探針掃描技術(shù)。接觸式探針掃描技術(shù)需要機(jī)械探針與樣品表面進(jìn)行直接接觸，則樣品與測(cè)頭之間會(huì)存在 mN 量級(jí)大小的應(yīng)力，傳感器進(jìn)而解算出被測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，這種測(cè)量手段的測(cè)量精度高，掃描速度快，然而容易劃傷被測(cè)元件。根據(jù)測(cè)量原理的不同，接觸式探針掃描技術(shù)按照測(cè)量原理的不同可以細(xì)分為電容式、電阻式、電阻式和電感式等。國(guó)內(nèi)外許多科研團(tuán)隊(duì)對(duì)接觸式探針輪廓儀的研制有著十分深入的研究。2006 年美國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室和倫敦大學(xué)學(xué)院共同研制了一臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)大口徑輪廓測(cè)量的大型輪廓儀，其測(cè)量口徑能夠達(dá)到 1000mm，軸向測(cè)量范圍達(dá)到 1220mm,測(cè)量重復(fù)性能夠達(dá)到 30nm

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文量的穩(wěn)定性和完整性。FormTalysurfi 系列電感式輪廓6nm，然而其測(cè)量范圍受其機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，僅有 100obson 公司研制的 Form Talysurf PGI NOVUS 系列的正向和反向的兩個(gè)方向以上以相同的速度和精度測(cè)程達(dá)到 20mm，掃描速度快，分辨率能夠達(dá)到 0.2nm機(jī)械接觸式探針掃描技術(shù)有測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，尤其是在三維輪廓測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而樣品直接接觸的形式，十分容易在被測(cè)元件表面留下此對(duì)于精密光學(xué)鏡面而言這種測(cè)量方法是不適用的。

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6 李榮彬;張志輝;杜雪;孔令豹;蔣金波;;自由曲面光學(xué)的超精密加工技術(shù)及其應(yīng)用[J];紅外與激光工程;2010年01期

7 李榮彬;張志輝;杜雪;孔令豹;蔣金波;;自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)、加工及面形測(cè)量的集成制造技術(shù)[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2010年11期

8 李立軍;張爽;曹劍;白廣華;;面曲率在自由曲面多軸加工中的應(yīng)用[J];現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備;2018年02期

9 張磊;劉東;師途;楊甬英;李勁松;俞本立;;光學(xué)自由曲面面形檢測(cè)技術(shù)[J];中國(guó)光學(xué);2017年03期

10 鄭鵬,馬陽(yáng);自由曲面的曲面信息和特征識(shí)別[J];機(jī)械;2005年S1期

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5 程穎;光學(xué)自由曲面設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究[D];天津大學(xué);2013年

6 王超;自由曲面表征函數(shù)及其應(yīng)用研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2014年

7 莊振鋒;自由曲面在非成像光學(xué)以及成像光學(xué)中應(yīng)用研究[D];浙江大學(xué);2014年

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5 孔臣祺;基于光斑追跡的自由曲面共焦輪廓儀快速掃描方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2019年

6 林龍僑;磁性拋光工藝技術(shù)研究及對(duì)自由曲面結(jié)構(gòu)的加工應(yīng)用[D];廈門大學(xué);2018年

7 劉玉峰;基于自由曲面的監(jiān)控補(bǔ)光方案設(shè)計(jì)[D];浙江工業(yè)大學(xué);2019年

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