非球面拼接测量中偏置误差作用机理与拼接方法研究

论文摘要

大口径非球面光学元件是空间光学系统中起支撑作用的关键部件,对大口径非球面面型的精确测量则直接关系到大口径非球面的精密制造与有效应用。然而目前测量大口径非球面面型的普遍方法——接触式扫描法和零检测技术,由于受到测量范围、效率、成本的限制,制约了大口径非球面精密测量的进一步发展,因此迫切需要一种更快、更精确的测量手段解决上述问题。课题“非球面拼接测量中偏置误差影响机理与拼接方法研究”的目的是:研究采用子孔径拼接干涉测量技术对大口径非球面面型进行精确测量,着重探讨一种实现大口径非球面面型精确拼接测量的拼接方法,通过分析三方向调整误差和拼接定位机构的偏置误差在子孔径干涉测量中的作用表现形式,完善了非球面的拼接干涉测量模型,提高了单次拼接测量的精度。本课题为大口径非球面的精密测量提供了一种技术方案,为最终实现大口径非球面的高精度拼接测量奠定理论基础。本文首先基于波前像差理论,分析了三方向调整误差对干涉测量非球面影响机理及作用表现形式,结果表明,三方向调整误差使被测非球面波前分布各阶分量都发生变化,不仅包含低阶倾斜与二次离焦,而且还产生了三阶纵向球差、彗差等高阶偏差。因而在利用标准平面波前或球面波前干涉测量非球面时,目前传统三方向调整误差修正拼接法,由于在拼接过程中未修正高阶系统像差分量而产生残余误差累积,因此不适用于精确测量非球面面型。为实现拼接测量中装调误差的分离,建立了拼接定位机构偏置误差与各运动自由度之间的函数关系模型。该模型的建立是以二次曲面为测量对象,通过分析拼接测量定位机构的空间复合运动机理,用量化的数学表达式完整地描述了拼接定位机构偏置误差对干涉测量结果的影响,该模型为拼接测量非球面的机构设计提供一定的理论分析基础。基于三方向调整误差与拼接定位机构偏置误差对干涉测量非球面的作用表现形式,提出了系统像差修正的拼接测量非球面方法和技术。该方法通过建立系统像差修正模型实现拼接,为实现拼接,采用了求解多元线性回归方程来获得拼接系数,并利用统计分布的方法来评定子孔径重叠区的相位拟合精度与系统的拼接精度。仿真与对比实验表明,利用该拼接测量方法,其子孔径重叠区相位拟合精度与系统拼接精度均高于目前传统的三方向调整误差修正拼接测量法。最后,对本文所研究的拼接方法进行了实验验证,主要内容有:1)平面的拼接测量实验,拼接结果与全孔径测量结果相比较,其PV值差值小于λ/10,RMS值差值小于λ/50,初步证明了所搭建的实验系统与开发的拼接测量软件的有效性;2)为验证所提系统像差修正拼接方法的优越性,进行了非球面拼接测量对比实验,实验结果表明,同传统三方向调整误差修正拼接测量法相比,本文方法明显提高了单次拼接的精确度;3)最后对子孔径拼接干涉测量系统的测量结果的不确定度进行了系统的分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 大口径非球面测量的国内外研究现状及分析
• 1.2.1 接触式扫描测量法
• 1.2.2 干涉测量法
• 1.2.3 子孔径拼接干涉测量
• 1.3 子孔径拼接干涉测量技术实现方法的国内外研究现状
• 1.4 子孔径拼接干涉测量非球面面临的关键技术问题
• 1.5 课题研究的来源及主要研究内容
• 第2章 子孔径干涉测量原理与三方向调整误差影响机理分析
• 2.1 引言
• 2.2 子孔径干涉测量的基本原理简介
• 2.3 三方向调整误差在干涉测量中的作用机理及表现形式
• 2.3.1 对平面干涉测量的影响机理分析
• 2.3.2 对球面干涉测量的影响机理分析
• 2.3.3 对非球面干涉测量的影响机理分析
• 2.4 各调整误差分量对被测二次曲面波前分布的影响分析
• 2.4.1 被测面沿轴向平移误差对波前分布的影响
• 2.4.2 被测面倾斜对波前分布的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 非球面拼接测量中机构偏置误差作用机理与误差分离模型
• 3.1 引言
• 3.2 拼接机构的复合运动机理
• 3.3 拼接定位机构偏置误差
• 3.4 偏置误差分离模型的建立
• 3.4.1 偏置误差分量与分离矩阵
• 3.4.2 各误差分量的作用表现
• 3.5 偏置误差对波前分布影响的干涉图表现
• 3.6 本章小结
• 第4章 非球面系统像差修正拼接方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 子孔径拼接干涉测量原理与数据采集
• 4.2.1 子孔径的拼接
• 4.2.2 两孔径的数据采集及坐标变换
• 4.3 非球面拼接测量模型的推导
• 4.3.1 三方向调整误差修正法拼接测量模型
• 4.3.2 非球面系统像差修正法拼接测量模型的推导
• 4.3.3 拼接系数的求解与拼接实现
• 4.4 子孔径拼接干涉测量的精度评定
• 4.4.1 比较分析法
• 4.4.2 统计分布法
• 4.5 两种拼接测量模型的仿真实验对比分析
• 4.5.1 不存在装调误差及干涉仪的系统误差时的拼接
• 4.5.2 存在偏置误差时两种拼接模型对比分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 非球面拼接测量系统与实验分析
• 5.1 引言
• 5.2 子孔径拼接干涉测量系统的初步设计
• 5.3 子孔径拼接干涉测量的实验研究
• 5.3.1 检测平台稳定度实验
• 5.3.2 平面镜拼接测量实验
• 5.3.3 非球面拼接测量对比实验及拼接精度的评定
• 5.4 拼接测量系统的不确定度分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历