大口径共焦轮廓仪设计及动态复合扫描方法研究

发布时间：2020-11-02 04:28

　　 伴随现代大口径光学元件加工检测技术的不断完善,当代各类光机电等元件在朝着小型化、精密化方向发展,使得对元件轮廓测量精度的要求甚至提升到了纳米的量级,并且元件面形出现多样化的趋向,各式各样复杂面形以及超高性能的大口径光学元件相继面世,其中大口径光学元件更是在天文光学领域、空间光学领域、远场目标探测识别、激光传输等领域中起到了关键作用,同时也成为光学系统设计和超精密加工技术相互渗透的产物。本课题“大口径共焦轮廓仪设计及动态复合扫描方法研究”,利用共焦扫描原理实现了对大口径共焦轮廓仪的设计及误差分析以及对大口径光学元件的二维轮廓测量和提取工作,重点研究了关于改变XZ相对运动模式实现大口径二维轮廓较快速测量的方法,并基于此编写了LabVIEW上位机软件平台。主要工作内容如下:(1)研究分析基本共焦成像理论,分析推导动态复合扫描的情况下的共焦扫描成像三维强度点扩散函数,主要研究复合运动轴向包络曲线的变化,包括在不同的面形以及不同的运动模式下的变化以及后期对测量的影响;(2)设计大口径光学共焦轮廓仪,测量范围200mm×200mm×150mm以满足大口径光学元件的轮廓形貌测量的需求,针对不同的测量面形改变相对运动模式可以获得步进式扫描及复合式扫描轮廓测量结果,仪器同时具备传统共焦测量微结构三维形貌测试的能力;(3)大口径光学共焦轮廓仪几何误差建模分析及矫正:共焦轮廓仪设计采用柱式坐标轮廓仪结构模型,测量传感器采用共焦光学测头,位置反馈采用精密激光干涉仪监测高精度平晶,仪器测量监测系统由四路精密激光干涉仪及两个平晶组成,通过分析三轴18项运动误差运动模型并给出补偿表达式,以便后期进行补偿修正。(4)实验验证复合扫描运动模式下对平面、倾斜表面、球面的测量结果并与步进式扫描作对比,通过给出斜面测量误差以及球面半径拟合结果,对比分析复合式扫描在时间提升上的优越性,并且最后对仪器测量性能进行了分析。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

等因素的影响。国外研究较早的比如美国 Arizona 大学的摆臂式轮廓轮廓仪（SAP）等[7]，成的产品比如 Taylor Hobson 公司 PGI 系列仪器等。其中，NPL 和 UCL 共同研发了型摆臂轮廓测量仪的原型样机，用于研究项目中对大型镜面轮廓的测量。该摆臂轮廓测量仪有 1220mm 的轴向测量行程、气浮旋转工作台和 LT12 线性编码器等成，最大测量口径为 1000mm，可以完成对平面、连续曲面等轮廓的检测，测量复性达 30nm，轮廓测量 RMS 值为 28nm。2010 年，Henselmans 等学者研发设计如图 1-1 右图所示的新型大型轮廓测量仪 NANOMEFOS 测量仪，用于非球面和由曲面元件的非接触式轮廓测量，该测量仪器最大可测量口径 500mm 的大型连曲面，并具备 30nm 的测量不确定度。2012 年泰勒霍普森公司研发出的新型多功非球面元件轮廓测量仪—Talysurf PGI Dimension 5XL[7]，利用探针接触元件表面方式，通过相位光栅干涉原理探测探针位移信号，测量信号经转换和滤波等处理拟合出实测量元件轮廓并得出面形误差，可用于检测平面、球面和非球面的表面糙度、面形精度等参数，可测量最大斜率为 85°的表面，具有 0.2nm 的表面平面测量分辨率和 300mm 的测量口径[6]。

被测非球面的面形误差信息。如果补偿器不存在设计制造误差的问题，并且没有装失调误差的影响，那么测量光束的波前变化就完全对应被测非球面元件的面型差[9-11]。零位补偿法的原理结构简单，涉及到的参数少，可实现大范围量程测量，因此为大口径轴对称光学非球面元件的最有效检测方法。在天文观测望远镜和激光核变等复杂的光学系统中，针对大口径非球面光学元件面型误差的高精度测量从未开过零位补偿法。但是，由于补偿器设计难度大，制造和装配精度难以保证，不被测非球面元件需要设计对应不同补偿器，不具备通用性，这些因素都制约着该法的实际应用。为实现小口径干涉仪对大口径非球面面型进行干涉测量，Kim C.J 等学者提出子孔径拼接的概念，大口径平面反射镜被小口径平面反射镜阵列代替并实现了抛面镜的自准直检验。随后，Y.M.Liu 等学者提出了环形子孔径检测技术，将被测球面划分为多个小的子孔径，利用常规小口径高精度干涉仪，通过旋转、平移实对每个子孔径进行零位干涉测量，并以此方式完成全部口径的测量，再利用重合域拼接算法得到全口径面型测量结果，其原理如图 1-2 所示[9]。

图 1-3 QED 研发的自动拼接干涉仪[9]度轮廓仪研究现状学元件表面轮廓的主要获取方法，是通过滤波、拟合等方法分析从而进行评定，并给出元件面型参数。随着光学元件表面面型的化，测量仪器也必须与时俱进：大行程、高精度是目前大口径光展方向。因此，研发新一代大量程、高精度、非接触式的轮廓仪检测技术的发展趋势[13-15]。在新一代轮廓仪的研发过程中，测量直无法实现二者的兼顾。研发人员为解决这一问题也提出了许多八十年代，法国科学家研究出一种可检测曲面轮廓的检测仪，采原理，并且加深了触针系统中传感器的动态范围，采用步进电机相结合控制探针的工作模式，并且仪器的测量范围可以手动调整 1-4 所示：探针探测到的模拟信号(±10V)通过 10 位 A/D 进行模达到传感器上限值时，竖直方向步进电机运作从而带动驱动器在点位置回到传感器几何中心附近。这种方案将传感器的小量程拼
【参考文献】

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本文编号：2866568