【摘要】：隨著科技的不斷發(fā)展,各個科學(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,進一步推動了光學(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、不對稱、傾角大的特點,因此難以用傳統(tǒng)方式對信號光進行收集;且對于大口徑自由曲面光學(xué)元件的三維輪廓測量,存在整體測量速度慢的問題,因此如何在保證測量精度的前提下,快速完成對自由曲面光學(xué)元件的三維輪廓測量任務(wù),是目前計量領(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,整個測量系統(tǒng)采用橫向和軸向同時運動的策略,提出了一種針對自由曲面輪廓測量的光斑追跡式快速掃描方法,完成了整個測量系統(tǒng)的硬件裝配與軟件設(shè)計,同時針對幾種典型的輪廓濾波的方法進行了深入分析。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擴散函數(shù)的理論模型;此外,針對大口徑自由曲面的輪廓測量問題,提出了光斑追跡式快速掃描策略,并用仿真實驗驗證了掃描策略的可行性;(2)為了實現(xiàn)本測量系統(tǒng)的測量功能及性能指標(biāo),設(shè)計并搭建了共焦掃描測量光路,完成了對系統(tǒng)的硬件進行相應(yīng)的選型、裝配與調(diào)試工作;完成了對包絡(luò)提取模型的建立;并基于Labview軟件平臺,完成了對系統(tǒng)各軟件模塊的設(shè)計,保證測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度快速測量的功能;(3)為了進一步提取出高精度自由曲面元件輪廓,本課題針對自由曲面樣品表面輪廓濾波的問題,開展了對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驗: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)進行了在光斑追跡掃描模式下的單點包絡(luò)檢測實驗,驗證了實驗的可行性。此外,分別進行了在逐點掃描模式下及光斑追跡模式下的平面鏡輪廓線測量實驗、凸球面鏡輪廓母線實驗及凹非球面鏡輪廓母線測量實驗,并分別對比了兩種掃描策略的測量精度與測量速度。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH74;O439
【圖文】：

[6-7]。圖1-1 自由曲面光學(xué)元件實物圖然而，自由曲面具有表面自由度多、不對稱、傾角大等特點，受其影響，用傳統(tǒng)光學(xué)檢測手段難以對信號光進行收集，無法完成對其三維輪廓的測量任務(wù)。而機械探針掃描方式，容易在精密元件表面留下劃痕，對光學(xué)元件造成損傷。此外，對于大口徑自由曲面光學(xué)元件的三維輪廓測量，存在整體測量速度慢，掃描效率低的問題。因此如何在保證測量精度的前提下，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，采用橫向和軸向同時運動的掃描策略，設(shè)計特殊算法，在保證原有測量精度的基礎(chǔ)上

但是由于部分零位檢測系統(tǒng)中部分零位補償鏡的引入，會給干涉圖樣的檢測結(jié)果帶來回程誤差。圖1-2 三維輪廓測量方法主要分類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精密元件進行表面三維輪廓測量的有效手段，其主要分為機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)需要機械探針與樣品表面進行直接接觸，則樣品與測頭之間會存在 mN 量級大小的應(yīng)力，傳感器進而解算出被測點的空間坐標(biāo)，這種測量手段的測量精度高，掃描速度快，然而容易劃傷被測元件。根據(jù)測量原理的不同，接觸式探針掃描技術(shù)按照測量原理的不同可以細分為電容式、電阻式、電阻式和電感式等。國內(nèi)外許多科研團隊對接觸式探針輪廓儀的研制有著十分深入的研究。2006 年美國國家物理實驗室和倫敦大學(xué)學(xué)院共同研制了一臺能夠?qū)崿F(xiàn)大口徑輪廓測量的大型輪廓儀，其測量口徑能夠達到 1000mm，軸向測量范圍達到 1220mm,測量重復(fù)性能夠達到 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，然而其測量范圍受其機械結(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方向以上以相同的速度和精度測程達到 20mm，掃描速度快，分辨率能夠達到 0.2nm機械接觸式探針掃描技術(shù)有測量精度高，測量速度快，尤其是在三維輪廓測量領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而樣品直接接觸的形式，十分容易在被測元件表面留下此對于精密光學(xué)鏡面而言這種測量方法是不適用的。

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本文編號：2758344