本文選題：干涉檢測　切入點(diǎn)：空間大口徑非球面　出處：《中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)》2016年博士論文

【摘要】：隨著近年來電子計算機(jī)技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)制造技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)等的不斷發(fā)展,空間望遠(yuǎn)系統(tǒng)在天文觀測和空間對地觀測中的應(yīng)用越來越普遍,在諸如導(dǎo)彈早期預(yù)警、信息對抗、軍事偵查、災(zāi)害防治、資源遙感等領(lǐng)域都有著重要的地位。其中針對對地遙感空間望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng),離軸三反消像散(TMA)光學(xué)系統(tǒng)相對于同軸系統(tǒng)來說,應(yīng)用較廣。與同軸系統(tǒng)相比,離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)一般主要采用矩形有效視場,這樣的話可以在一個方向得到不到半度的視場卻在另一個方向得到很大的視場角,并與線陣CCD結(jié)合應(yīng)用于對地遙感領(lǐng)域。這種光學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:大視場、高分辨率、高像質(zhì)。非球面在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用,相對于球面來說,可以在光學(xué)設(shè)計的時候,不增加產(chǎn)生的獨(dú)立像差,同時又增加了系統(tǒng)的優(yōu)化變量數(shù)目,達(dá)到了提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量并簡化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的目的。由于光學(xué)系統(tǒng)分辨率與口徑成反比,隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對分辨率的要求越來越高,也就導(dǎo)致空間光學(xué)系統(tǒng)口徑越來越大。空間光學(xué)對非球面的應(yīng)用需求朝著更高的面形精度、更大的口徑方向發(fā)展,有些空間光學(xué)系統(tǒng)甚至采用了大偏離量大離軸量的高次非球面,此外隨著自由曲面的發(fā)展,現(xiàn)在空間光學(xué)系統(tǒng)中,自由曲面的使用也逐漸增多,這些需求都給光學(xué)加工和光學(xué)檢測帶來了很大的挑戰(zhàn)。檢測是加工的前提,檢測的結(jié)果指導(dǎo)光學(xué)加工過程的進(jìn)行,檢測對加工具有指導(dǎo)地位。非球面的常用檢測方法包含有輪廓檢測和干涉檢測。其中輪廓檢測相對于干涉檢測來說,由于精度較低、適用范圍廣,一般應(yīng)用于光學(xué)加工中的研磨階段,而對于反射鏡的拋光階段或者最終測量,由于要求采用精度高、可靠性強(qiáng)的檢測手段,一般采用干涉檢驗。干涉檢驗又可以分為非零位檢測和零位檢測。非零位檢測包括子孔徑拼接法、長波長干涉儀檢測、剪切干涉儀檢測、五棱鏡掃描法、哈特曼檢測法等,非零位檢測這類檢測方法優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣,可廣泛適用于多種面形,但其缺點(diǎn)是:檢測精度不高且檢測可靠性待驗證。而零位檢測又可以分為無像差法和補(bǔ)償檢測。無像差點(diǎn)法只適用于二次曲面,針對現(xiàn)在的空間大口徑高次非球面,一般采用零位檢測中的補(bǔ)償檢測,也就是利用補(bǔ)償器(null lens)或計算全息板(Computer-generated-hologram,CGH)產(chǎn)生與被檢鏡匹配的非球面波前以實現(xiàn)利用商用干涉儀進(jìn)行的干涉檢驗�，F(xiàn)有的零位檢測由于檢測過程中出現(xiàn)的商用干涉儀的誤差、補(bǔ)償元件的誤差,其檢測精度未知。隨著對非球面精度要求的提高以及磁流變、離子束等確定性光學(xué)加工技術(shù)的發(fā)展,光學(xué)檢測的精度要求提高到百分之一波長或者更高,而由于哈勃望遠(yuǎn)鏡主鏡補(bǔ)償器出現(xiàn)問題導(dǎo)致的巨大經(jīng)濟(jì)損失,要求光學(xué)檢測最終檢測結(jié)果可靠,也就需要兩種及以上的檢測方式互檢。因此,空間大口徑非球面干涉補(bǔ)償檢驗誤差分析與精度標(biāo)定對于空間大口徑非球面檢測變得尤為重要。本文主要對空間大口徑非球面干涉補(bǔ)償檢測誤差進(jìn)行了分析,對空間大口徑非球面干涉補(bǔ)償檢測的精度進(jìn)行了標(biāo)定,結(jié)合工程實例對該標(biāo)定方法進(jìn)行了工程驗證,論文的研究內(nèi)容包括以下四個部分:1,結(jié)合最大似然估計算法與正交化Zernike多項式擬合理論,針對大口徑非球面干涉補(bǔ)償檢測中參考鏡面形誤差不能被忽略的問題,建立了可適用于檢測非球面時參考鏡誤差標(biāo)定和檢測球面等任意光學(xué)元件時的參考鏡誤差標(biāo)定的算法模型,該算法可以在檢測中同時計算出被檢測鏡與參考鏡的面形,并結(jié)合實際干涉檢測實例,對該算法進(jìn)行了仿真分析,驗證了算法檢測精度與可靠性,同時利用高精度標(biāo)準(zhǔn)具,標(biāo)定了實際工程中某一干涉儀球面標(biāo)準(zhǔn)鏡的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。2,分析了CGH檢測非球面時由于CGH在設(shè)計、編碼、制造過程引入的各種誤差源。CGH的制造誤差是主要誤差,制造誤差包括CGH的基板誤差、刻畫畸變、占空比誤差、刻蝕深度誤差、振幅誤差。利用特殊設(shè)計的CGH分析了CGH的制造誤差,得到了通用于所有CGH設(shè)計過程中的參數(shù)優(yōu)化方法,并通過該方法設(shè)計了具體的CGH檢測某自由曲面,檢測結(jié)果驗證了利用該方法設(shè)計并制作高精度CGH檢測非球面乃至自由曲面的可行性。3,介紹了補(bǔ)償器檢測非球面的基本原理,針對不同類型補(bǔ)償器的初始結(jié)構(gòu)選取和計算方法,根據(jù)某一實際離軸非球面,實際設(shè)計了檢測該離軸非球面的補(bǔ)償器。同時介紹CGH的基本理論,提出利用傾斜式CGH標(biāo)定補(bǔ)償器誤差,并根據(jù)其理論合理設(shè)計出傾斜式的CGH來標(biāo)定該補(bǔ)償器,分析出該CGH精度并得到整個補(bǔ)償器的誤差,通過對影響補(bǔ)償器精度的各個影響因素進(jìn)行分析,實驗驗證了利用該補(bǔ)償器檢測非球面的可行性。4,利用實際工程中某一具體空間大口徑非球面,設(shè)計出檢測該非球面的CGH以及補(bǔ)償器,利用已經(jīng)提出的分析方法,分析出利用該CGH檢測非球面的精度,并對裝調(diào)精度進(jìn)行分析,綜合得到利用CGH檢測該空間大口徑非球面的檢測精度以及該CGH檢測非球面的檢測結(jié)果;再分析出利用該補(bǔ)償器檢測非球面的精度,綜合得到利用補(bǔ)償器檢測該空間大口徑非球面的檢測精度以及該補(bǔ)償器檢測非球面的檢測結(jié)果。對比CGH檢測結(jié)果和補(bǔ)償器檢測結(jié)果,驗證標(biāo)定過程的可靠性以及該空間大口徑非球面制造結(jié)果的可靠性,對空間大口徑非球面最終檢測提供一定的參考意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP79

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本文編號：1670404