利用曲面计算全息图检测非球面

论文摘要

本文主要阐述了利用曲面计算全息图对大口径非球面进行检测的方法和过程。由于传统的非球面检测方法无法对非球面进行低成本、短周期、高精度的检测,便发展了一种将计算全息图与折射光学元件相结合的折衍混合式的检测系统来检测非球面。这种检测方法由于利用曲面计算全息图形成共路系统,不仅有效地增大了全息图的最小特征尺寸,还放宽了对其他光学元件的质量要求,在保证高精度的检测结果的同时,极大地降低了检测成本,缩短了检测周期,但是它也存在一些缺陷,有待于完善。本文针对这种检测方法所存在的问题,通过深入的理论分析,提出了一系列解决办法,并最终利用实验加以证实。第一部分给出了非球面的基础知识。阐述了利用曲面计算全图检测大口径、深度凹非球面的光学检测系统的设计方法和结构原理。论文中初步尝试了将曲面计算全息图与传统的光学补偿镜相结合,以简化补偿系统的结构。给出了两种设计实例及相应结果,相对于传统的两片或三片式补偿系统,这里只需要一片带有全息图的补偿镜即可高精度地检测同样类型的凹非球面。第二部分阐述了利用曲面计算全息图检测大口径凸非球面的光学检测系统的设计方法、结构原理、实验过程,以及该检测方法中一些缺陷的相应解决办法。深入分析了检测系统中波面的传播过程、干涉图中心亮斑的成因以及检测结果中各种误差源。给出了相应的理论分析结果以及计算公式。为了简化检测系统的结构,尝试着将Zygo干涉仪结合到该系统中去,以便直接利用Zygo干涉仪的光源、成像透镜、CCD接收器和干涉图采集、处理软件,得到了很好的效果。为了减小干涉图中心亮斑尺寸,实现非球面全孔径检测,提出了两种处理办法:第一是采用两种不同孔径的滤波光阑分两步检测凸非球面;第二是利用分两部分的特殊的曲面计算全息图检测凸非球面。并通过实验或模拟结果证实这两种方法的有效性。针对检测结果中的装调误差提出了旋转相减法,成功地消除了其对检测结果

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 凸非球面检测方法及其发展
• 1.2.1 工艺面检测法
• 1.2.2 无像差点法
• 1.2.3 补偿法
• 1.2.4 全息法
• 1.2.4.1 光学全息法
• 1.2.4.2 计算全息法
• 1.2.5 折衍混合式检测法
• 1.3 论文的目的
• 1.4 本论文的结构
• 第二章 大孔径、深度凹非球面的检测
• 2.1 非球面的基础知
• 2.1.1 非球面定义
• 2.1.2 非球面的光学性质
• 2.1.2.1 与法线有关的重要性质
• 2.1.2.2 非球面的非球面度
• 2.2 大口径、深度凹非球面的检测系统
• 2.2.1 被检测凹非球面的参数和特性
• 2.2.2 检测原理及检测系统的设计
• 2.2.2.1 检测原理
• 2.2.2.2 设计结果
• 2.2.3 检测系统的分析
• 2.2.3.1 计算全息图（CGH）的位相函数
• 2.2.3.2 计算全息图（CGH）的衍射特性
• 2.2.3.3 干涉条文对比度
• 2.3 小节
• 第三章 利用曲面计算全息图检测大口径凸非球面
• 3.1 检测系统的理论分析及设计
• 3.1.1 理论分析
• 3.1.2 检测系统的设计
• 3.1.2.1 待测凸非球面的参数及特性
• 3.1.2.2 计带有计算全息图的参考球面
• 3.1.2.3 设计照明系统
• 3.1.2.4 设计成像系统
• 3.1.2.5 检测系统的总体结构
• 3.1.2.6 检测系统的装调公差
• 3.2 计算全息图的制作
• 3.2.1 计算全息图位相的量化
• 3.2.2 计算全息图的环带占空比
• 3.2.3 制作曲面计算全息图
• 3.2.4 计算全息图制作误差分析以及对检测结果的影响
• 3.2.4.1 局部周期与设计程函的关系
• 3.2.4.2 径向制作误差和局部周期误差、设计程函误差的关系
• 3.2.4.3 计算全息图位置误差的几种类型
• 3.2.4.4 位置误差对检测结果的影响
• 3.3 简化检测系统结构
• 3.3.1 原检测系统的搭建
• 3.3.2 Zygo 干涉仪的结构
• 3.3.3 简化后的系统结构以及调整方法
• 3.3.4 采用简化装置检测凸非球面的检测结果
• 3.4 干涉图中心亮斑的消除
• 3.4.1 采用两种不同孔径的滤波光阑分两步全孔径检测凸非球面
• 3.4.1.1 理论分析
• 3.4.1.2 实验结果
• 3.4.2 利用特殊的曲面计算全息图全孔径检测凸非球面
• 3.4.2.1 理论分析
• 3.4.2.2 特殊计算全息图的设计过
• 3.5 消除检测结果中的各误差源
• 3.5.1 误差分析
• 3.5.1.1 检测结果中的误差源
• 3.5.1.2 装调误差
• 3.5.1.3 误差消除方法
• 3.5.2 实验检测结果
• 3.6 小节
• 第四章 非球面的绝对检测
• 4.1 平面和球面的绝对检测方法
• 4.2 非球绝对检测
• 4.2.1 类剪切法
• 4.2.2 Twin-CGH 法
• 4.2.3 利用双重位相计算全息图在共路干涉仪中实现对非球面的绝对检测
• 4.2.3.1 双衍射计算全息图共路干涉系统
• 4.2.3.2 绝对检测过程
• 4.2.3.3 双重位相计算全息图的误差
• 4.2.4 双重位相计算全息图的分析、设计
• 4.2.4.1 双重位相全息图衍射特性的分析
• 4.2.4.2 适用于绝对检测的双重位相全息图的设计
• 4.3 小节
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文的具体研究成果
• 5.2 具有创新意义的工作
• 5.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文目录
• 致谢