基于波前傳感法的光學(xué)自由曲面面形測量研究.pdf

1、光學(xué)自由曲面元件具有全新的設(shè)計理念,能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、改善系統(tǒng)光學(xué)性能,因此在航空航天、通訊等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但光學(xué)自由曲面面形精度要求越來越高也給其制造帶來困難,因此設(shè)計合理的方法進行自由曲面面形誤差測量,成為該領(lǐng)域的一個關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有測量方式多采用接觸探針式,雖然能夠獲得較高精度,但測量效率低且對工件有一定損傷性。相比之下,光學(xué)非接觸式測量表現(xiàn)出更多的優(yōu)勢。波前傳感器相比干涉儀具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、實時性強等優(yōu)點,因此,本

2、文基于夏克-哈特曼波前傳感器(Shack-Hartmann Wavefront Sensor,SHWS),設(shè)計開發(fā)了一種光學(xué)自由曲面面形測量系統(tǒng)。主要的研究工作如下:
　　1.在SHWS測量中,受微透鏡陣列參數(shù)、透鏡尺寸、網(wǎng)格劃分和光斑位置等的限制,其動態(tài)范圍一般較小,為滿足測量大曲率自由曲面的要求,在傳統(tǒng)像素強度加權(quán)平均法求取質(zhì)心的基礎(chǔ)上,提出了一種基于圖像處理的連通域質(zhì)心計算方法,準(zhǔn)確求取任意光斑的質(zhì)心坐標(biāo),重新歸位后測量的動

3、態(tài)范圍增大了約4倍且仍有提高的空間。
　　2.為滿足光學(xué)自由曲面面形測量要求,需要根據(jù)測量的反射波前推導(dǎo)面形數(shù)據(jù),基于光線追跡和等光程差原理,建立了反射波前數(shù)據(jù)到自由曲面面形的映射模型,通過實驗分析證明其轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于傳統(tǒng)算法約2-3倍。
　　3.分光棱鏡作為反射系統(tǒng)中不可缺少的元件會產(chǎn)生波前畸變,從而引入測量誤差,本文從幾何光學(xué)的光傳播理論出發(fā),對這一誤差進行了建模仿真,提出了誤差補償方案,仿真驗證了方案能夠消除大部分誤差。