本文選題：自由曲面 + 點(diǎn)源發(fā)生器��； 參考：《南京理工大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：光學(xué)自由曲面具有能夠改善光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量、減少透鏡使用數(shù)、縮小系統(tǒng)尺寸等優(yōu)點(diǎn),使其在照明、航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域被廣泛使用。但是由于其表面梯度變化較大,使得其面形檢測(cè)成為光學(xué)領(lǐng)域的一大難題。目前,因傾斜波面干涉法(Tilted-Wave-Interferometry,簡稱TWI)具有檢測(cè)精度高、通用強(qiáng)、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍廣等優(yōu)點(diǎn),使其在自由曲面面形測(cè)量方面?zhèn)涫荜P(guān)注。點(diǎn)源發(fā)生器是傾斜波面干涉系統(tǒng)的關(guān)鍵器件,產(chǎn)生用于補(bǔ)償待測(cè)件局部梯度的球面波點(diǎn)源陣列。目前,國內(nèi)外研究的傾斜波面干涉系統(tǒng)中,點(diǎn)源發(fā)生器由針孔陣列、透鏡陣列和掩膜板構(gòu)成。但是由于構(gòu)成透鏡陣列的單透鏡具有球差,造成單透鏡出射的光束不是理想球面波,進(jìn)而導(dǎo)致傾斜波面干涉系統(tǒng)在測(cè)量中引入誤差;其次,透鏡陣列制作完成后,無法根據(jù)被測(cè)件的面形動(dòng)態(tài)生成點(diǎn)源陣列,制約傾斜波面干涉系統(tǒng)的檢測(cè)通用性。本文提出了基于光纖陣列的點(diǎn)源發(fā)生器的新方案,解決基于透鏡陣列的點(diǎn)源發(fā)生器的上述問題。研究了基于光纖陣列的點(diǎn)源發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法,并研制了各個(gè)關(guān)鍵器件,制作了用于傾斜波面干涉系統(tǒng)的光纖陣列型點(diǎn)源發(fā)生器。為了保證傾斜波面干涉系統(tǒng)的相干性,在設(shè)計(jì)基于光纖陣列的點(diǎn)源發(fā)生器時(shí)采用保偏技術(shù),保證點(diǎn)源發(fā)生器出射的任意兩束球面波之間的相干性。本文設(shè)計(jì)了基于菲索干涉原理的相干性檢測(cè)裝置,對(duì)實(shí)際研制的光纖陣列型點(diǎn)源發(fā)生器的相干性進(jìn)行了測(cè)試,證明該器件的相干性符合傾斜波面干涉系統(tǒng)的要求。本文對(duì)光纖陣列型點(diǎn)源發(fā)生器的點(diǎn)源間距誤差對(duì)傾斜波面干涉系統(tǒng)的影響規(guī)律做了仿真分析,得出結(jié)論為:纖芯間距誤差必須控制在15μm以內(nèi)才能使引入TWI系統(tǒng)的波面誤差小于λ/10。同時(shí)設(shè)計(jì)并搭建了光纖陣列纖芯間距測(cè)量系統(tǒng),采用成像法獲得點(diǎn)源發(fā)生器出射兩束光的光斑圖。利用橢圓擬合方法來確定光斑中心位置并計(jì)算纖芯間距,得到研制的點(diǎn)源發(fā)生器的纖芯間距誤差為1.75μm,滿足了傾斜波面干涉系統(tǒng)的精度要求。本文分析了基于光纖陣列的點(diǎn)源發(fā)生器的任意兩個(gè)點(diǎn)光源之間的初始光程差對(duì)傾斜波面干涉系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的影響。設(shè)計(jì)并搭建了基于小數(shù)重合法的全光纖馬赫曾德干涉測(cè)量系統(tǒng),對(duì)實(shí)際研制的光纖陣列型點(diǎn)源發(fā)生器的各個(gè)點(diǎn)源之間由于光纖長度不一致引起的初始光程差進(jìn)行了測(cè)量。計(jì)算出相應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)矩陣,作為固有誤差引入到傾斜波面干涉系統(tǒng)的誤差模型中,以消除點(diǎn)源之間的光程差對(duì)TWI系統(tǒng)測(cè)量精度的影響。
[Abstract]:Optical free-form surface has the advantages of improving the imaging quality of optical system, reducing the number of lens used and reducing the system size, which makes it widely used in the fields of lighting, aerospace, biomedicine and so on. However, due to the large change of surface gradient, the surface shape detection becomes a difficult problem in the field of optics. At present, Tilted-Wave-Interferometry (TWI) has many advantages, such as high detection accuracy, strong generality and wide dynamic range, so it has attracted much attention in free-form surface measurement. The point source generator is the key device of the tilted wave surface interference system, which produces the spherical wave point source array to compensate the local gradient of the measured part. At present, the point source generator is composed of pinhole array, lens array and mask board. However, due to the spherical aberration of the single lens which constitutes the lens array, the beam emitted by the single lens is not an ideal spherical wave, which leads to the introduction of errors in the measurement of the slanted wave surface interferometer. Secondly, after the lens array is made, The point source array can not be dynamically generated according to the surface shape of the measured piece, which restricts the detection generality of the tilted wave surface interference system. In this paper, a new scheme of point source generator based on optical fiber array is proposed to solve the above problems of point source generator based on lens array. The design method of point source generator based on fiber array is studied, and the key devices are developed. The optical fiber array type point source generator for tilted wave surface interference system is fabricated. In order to ensure the coherence of the tilted wave surface interference system, the polarization maintaining technique is used in the design of the point source generator based on fiber array to ensure the coherence between any two spherical waves emitted by the point source generator. In this paper, a coherence detection device based on Fresso interference principle is designed, and the coherence of the fiber array type point source generator is tested. It is proved that the coherence of the device meets the requirements of tilted wave surface interference system. In this paper, the influence of point source spacing error of fiber array type point source generator on tilted wave surface interference system is simulated and analyzed. It is concluded that the error of fiber core spacing must be controlled within 15 渭 m in order to make the wavefront error of TWI system less than 位 / 10. At the same time, an optical fiber array core spacing measurement system is designed and built, and the spot pattern of two beams emitted from the point source generator is obtained by imaging method. Using the ellipse fitting method to determine the position of the spot center and calculate the fiber core spacing, the error of the fiber core spacing of the developed point source generator is 1.75 渭 m, which meets the precision requirement of the tilted wave surface interference system. In this paper, the influence of the initial optical path difference between any two point light sources of a point source generator based on fiber array on the measurement results of a tilted wavefront interferometric system is analyzed. An all-fiber Mach Zende interferometric system based on fractional multiple method is designed and built. The initial optical path difference caused by the inconsistency of fiber length among the various point sources of the fiber array type point generator developed in practice is measured. The corresponding error data matrix is calculated and introduced into the error model of tilted wave surface interference system as inherent error to eliminate the influence of optical path difference between point sources on the measurement accuracy of TWI system.
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH74;TN253

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本文編號(hào)：1981748