本文選題：自由曲面子孔徑拼接干涉檢測 + 非常規(guī)子孔徑�。� 參考：《浙江大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：光學(xué)自由曲面因其表面自由度較大,可以針對性地提供或矯正不同的軸上或軸外像差,同時滿足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)高性能,輕量化和微型化的要求,從而逐漸開始成為現(xiàn)代光學(xué)工程領(lǐng)域的新寵。雖然在設(shè)計(jì),加工,檢測等方面穩(wěn)步發(fā)展,然而成像領(lǐng)域?qū)τ诠鈱W(xué)元件面形的高精度要求卻限制了自由曲面的大規(guī)模應(yīng)用。尤其,自由曲面的檢測技術(shù)已經(jīng)成為制約其應(yīng)用的最重要因素。干涉測量法作為目前精度最高的檢測手段之一,已經(jīng)在光學(xué)平面,球面乃至非球面的檢測領(lǐng)域得到了一致公認(rèn)。借助于專門設(shè)計(jì)的補(bǔ)償器,可以實(shí)現(xiàn)高精度的零位干涉檢測,但是零位補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)、檢測和裝調(diào)都會引入誤差。而對于那些非規(guī)則、非旋轉(zhuǎn)對稱的光學(xué)自由曲面,必須使用專門的CGH進(jìn)行補(bǔ)償。而CGH元件加工成本高,難度大,且難于調(diào)整等特性使其測量范圍和測量精度均受到限制。因此,人們將目光轉(zhuǎn)向了子孔徑拼接技術(shù),雖然子孔徑拼接檢測技術(shù)在大口徑球面和中度非球面的檢測中呈現(xiàn)出高檢測精度的特點(diǎn),但在非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面檢測中的應(yīng)用依然沒有實(shí)質(zhì)性的突破。本文提出了一套自由曲面子孔徑拼接干涉檢測(Free form surface subaperture stitching interferometry, FSSI)技術(shù)與系統(tǒng),將子孔徑拼接干涉檢測技術(shù)成功運(yùn)用于自由曲面檢測。主要研究內(nèi)容包括：研究了FSSI系統(tǒng)方案與仿真方法,基于自由曲面的非旋轉(zhuǎn)對稱性,提出了非常規(guī)子孔徑拼接理念；研究了非常規(guī)子孔徑的劃分方法,步驟并給出了劃分實(shí)例；研究了非常規(guī)子孔徑波前的表征方法,為FSSI的提供了原理方案與技術(shù)基礎(chǔ)。針對自由曲面的定位匹配難題,提出了一套自由曲面實(shí)驗(yàn)與仿真的匹配方法,主要研究了自由曲面旋轉(zhuǎn)匹配方法,軸向定位匹配方法和位姿誤差匹配方法。完成了被測面的高精度匹配建模,成為FSSI系統(tǒng)精度的有力保障。在子孔徑劃分完成和全口徑精確定位匹配建模的基礎(chǔ)上,研究了非常規(guī)子孔徑拼接算法。提出了基于系統(tǒng)模型的多孔徑同步逆向優(yōu)化重構(gòu)(Multi-aperture simultaneous reverse optimizing reconstruction, MSROR)算法；通過計(jì)算機(jī)仿真研究了MSROR算法的面形檢測精度。該研究為FSSI提供了高精度算法,是FSSI技術(shù)的最重要的組成部分。同時,將MSROR算法成功應(yīng)用于非球面頂點(diǎn)曲率半徑精確測量。研究了FSSI樣機(jī)布局裝配與誤差標(biāo)定技術(shù)。討論了實(shí)際FSSI實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的布局與裝配,并分析了影響FSSI技術(shù)精度的主要因素；繼而,進(jìn)行FSSI系統(tǒng)的誤差標(biāo)定,提出了以FSSI系統(tǒng)為代表的非零位干涉檢測系統(tǒng)誤差標(biāo)定方法：逆向優(yōu)化誤差標(biāo)定法,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了FSSI系統(tǒng)經(jīng)過誤差標(biāo)定后對于球面的高檢測精度,為最終的FSSI實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)提供了實(shí)際精度保證。對FSSI技術(shù)與系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。完成了淺度拋物面(偏離頂點(diǎn)球9μm)頂點(diǎn)球曲率半徑的測量,測量相對精度達(dá)到0.016%；非球面(偏離頂點(diǎn)球50μm)環(huán)形子孔徑拼接實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比于ZYGO verifire子孔徑掃描干涉儀檢測結(jié)果,檢測精度優(yōu)于1/50λ (rms);雙圓錐面扇形子孔徑拼接實(shí)驗(yàn)結(jié)果與輪廓儀結(jié)果相比,檢測精度約1/50λ(rms);。證明了FSSI技術(shù)與系統(tǒng)對于光學(xué)自由曲面的非常規(guī)子孔徑拼接檢測的有效性與精確性,將FSSI技術(shù)理論變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。
[Abstract]:Because of its larger surface freedom, optical free-form surface can provide or correct different aberrations on or out of axis, and meet the requirements of high performance, lightweight and miniaturization of modern optical system, and gradually become a new favorite in modern optical engineering. The high precision requirement of the surface shape of optical element limits the large-scale application of the free surface. In particular, the detection technology of free surface has become the most important factor restricting its application. As one of the most accurate detection methods, interferometry has been obtained in the field of optical plane, spherical and aspheric detection. It is universally acknowledged that high precision zero position interference detection can be achieved with the aid of a specially designed compensator, but the design, detection and adjustment of the zero position compensator will introduce errors. For those non regular, non rotating symmetric optical free-form surfaces, the special CGH must be used to compensate. The CGH components are costly, difficult, and difficult to process, and It is difficult to adjust the measurement range and measurement accuracy. Therefore, people turn their eyes to the sub aperture stitching technology. Although the sub aperture stitching detection technology has high detection precision in the detection of large aperture spherical surface and medium aspherical surface, it is still used in the non rotation symmetric free surface detection. There is no substantial breakthrough. In this paper, a set of Free form surface subaperture stitching interferometry, FSSI (FSSI) technology and system is proposed. The subaperture stitching interference detection technique is successfully applied to free surface detection. The main research contents include: the research of the FSSI system scheme and the simulation side Method, based on the non rotation symmetry of free surface, the idea of unconventional aperture stitching is proposed. The method of dividing the unconventional aperture is studied, the steps are given and the example is given. The characterization method of the unconventional aperture wavefront is studied. The principle scheme and the technical basis for the FSSI are provided. A set of matching method for free surface experiment and simulation is proposed. It mainly studies the rotation matching method of free surface, the matching method of axial orientation and the matching method of position and posture error. It completes the modeling of the high precision matching of the measured surface, and becomes the powerful guarantee of the precision of the FSSI system. Based on the research of the unconventional aperture stitching algorithm, the Multi-aperture simultaneous reverse optimizing reconstruction (MSROR) algorithm based on the system model is proposed, and the surface detection precision of the MSROR algorithm is studied by computer simulation. This study provides a high precision algorithm for FSSI. It is the most important component of the FSSI technology. At the same time, the MSROR algorithm is successfully applied to the accurate measurement of the vertex curvature radius of the aspheric surface. The layout assembly and error calibration technology of the FSSI prototype are studied. The layout and assembly of the actual prototype of the FSSI experiment are discussed, and the main factors affecting the precision of the FSSI technology are analyzed. Then, the FSSI system is carried out. The error demarcation is put forward. The error calibration method of the non zero position interference detection system, represented by the FSSI system, is put forward, the reverse optimization error calibration method is used, and the experiment verifies the high detection precision for the spherical surface after the error calibration of the FSSI system, and provides the actual precision guarantee for the final FSSI experiment realization. The experimental test of the FSSI technology and the system is carried out. The measurement of the curvature radius of the shallow paraboloid (deviating from the vertex ball 9 m) has been completed, and the relative precision of the measurement is 0.016%. The experimental results of the circular sub aperture stitching for aspheric (deviating from the top spot ball 50 m) are better than the ZYGO verifire sub aperture scanning interferometer. The detection accuracy is better than that of 1/50 (RMS); the double circular cone sector hole hole is more accurate. Compared with the results of profilometer, the measurement accuracy of the diameter splicing is about 1/50 [RMS], which proves the validity and accuracy of the FSSI technology and the system for the unconventional aperture stitching detection of the optical free-form surface, and the FSSI technology theory is changed to the reality.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O436.1

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