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1、分类号 密级 UDC注1 学 位 论 文点光源阵列多重波面自由曲面检测系统设计与研究（题名和副题名） （作者姓名）指导教师姓名 教 授 申请学位级别 硕士 专业名称 光学工程 论文提交日期 2013.3 论文答辩日期 2013.03 学位授予单位和日期 理 工 大 学 答辩委员会主席 评阅人 2013年3月 15日注1：注明国际十进分类法UDC的分类号。III硕士论文 点光源阵列多重波面自由曲面检测系统设计与研究声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历
2、而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名： 年 月 日 学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名： 年 月 日摘 要光学自由曲面，相比传统光学面形其面形自由度更大，由于表面曲率变化很大，光学自由曲面的精确检测也是近年来产生的难题。为了实现光学自由曲面的通用化检测，本论文基于局部波前梯度补偿思想，设计了一套点光源阵列多重波面干涉检测系统。该
3、系统具有非零位测量、测量动态范围大、空间分辨率高、不引入子孔径扫描机械误差、测量精度高等特点。本文基于减小被测波前斜率的方法，主要研究了可用于光学自由曲面非零位检测的硬件光路系统以及点光源阵列补偿波前斜率技术等。本文研究设计的系统可以实现法线偏离最佳拟合球面法线10，口径60的光学自由曲面的干涉图获取。主要结构包括典型Tyman干涉系统、球面补偿标准镜组和基于点光源阵列的斜率补偿模块。采用Tyman干涉结构，利用“黑盒子”原理采用光路逆向追迹的方法设计了球面补偿标准镜组。根据系统设计要求，研究了基于点光源阵列斜率补偿模块的设计方法，对微透镜阵列的结构参数进行测量论证。最后介绍整个光路系统的装调
4、方法和过程，分析了系统装调结果。实现了对平面、球面、非球面以及自由曲面眼镜片的干涉图获取，为后续的软件算法设计和系统的误差评价标定奠定了基础。关键词：光学自由曲面，非零位干涉检测，微透镜阵列，多重倾斜波面AbstractOptical freeform surface, in comparison with other optical surface, has a bigger free extent. Because of its fiercely changing surface slope, its precise measurement has become a huge proble
5、m in recent years. In order to realize the universal test of optical freeform surface, this dissertaion bases on the theory of compensating local wavefronts slope and designs a point-source multi-wavefront interferometer system. This system has great charateristics of its non-null test, large test d
6、ynamic range, high spatial resolution, no subaperture mechanic scanning error, high test precision and so on. This dissertaion is on the basis of the method of decreasing test wavefronts slope. It manily focus on optical system of freeform surface non-null test system and technology of wavefronts sl
7、ope compensation with point-source array. The sytem researched here can accomplish the test of optical freeform surface with 60 diameter whos normal angel deviate 10 degree from its best fit sphere. The system mainly includes typical Tyman interferometer system spherical compensating standard lens a
8、nd wavefronts compensating module based on point source array. The system applies basic Tyman Inteferometer structure. Based on “Black Box” theory, we design spherical compensating standard lens with reverse trace method. To meet the requirement of optical freeform surface testing system, we have re
9、searched the designing method of point source array slope compenstaing module and tested the basic aperture of microlens array. At last this dissertaion introduces the installization and debug process of the whole system, and analysises the results. We obtain the interferogram of plane, sphere, asph
10、ere and freeform glasses. This dissertaion settles good foundation of future work such as software algorithm design and system error estimate. Keyword: Optical freeform surface, Non-null interferometer, Micro-lens array, Multi-titled wavefront目 录摘 要IAbstractII目 录III1 引言11.1 课题背景11.2 国内外研究现状21.3 本论文主
11、要研究内容42 光学自由曲面检测技术62.1 反射光栅摄影测量法62.2 光学计算全息CGH72.3 多重倾斜波面梯度补偿法82.3.1 波前梯度补偿基本原理82.3.2 点光源阵列多重波面干涉测量系统原理112.4 本章小结143 点光源阵列多重波面干涉系统设计153.1 干涉仪技术指标153.2 系统基本结构参数分析讨论163.2.1 标准镜组焦面处点光源阵列像参数的分析183.2.2 标准镜组基本机构参数的分析讨论203.2.3 补偿球面镜后光束孔径角的确定223.3 考虑干涉容限的点光源阵列参数分析233.4 系统基本结构计算分析253.5 本章小结274 基于点光源阵列的斜率补偿系统
12、294.1 微透镜阵列结构参数分析测量294.1.1 显微测量法294.1.2 表面轮廓测量法304.1.3 焦距仪测量法304.1.4 干涉测量法314.1.5 微透镜阵列焦距实验分析324.2 针孔阵列参数计算及设计344.2.1 针孔阵列与液晶光阀344.2.2 针孔阵列的加工方法及参数设计计算374.3 动态掩膜板基本结构参数的计算设计394.4 多重倾斜波面梯度补偿系统装调404.4.1 多重倾斜波面梯度补偿系统的机械装夹结构404.4.2 多重倾斜波面梯度补偿系统的装调414.5 本章小结435 系统构建与调试445.1 机械结构设计445.2 系统的构建装校455.2.1 参考光
13、路反射镜的装调455.2.2 测试光路分光棱镜的装调475.2.3 测试光路标准镜组的装调485.2.4 多重倾斜波面梯度补偿系统和成像系统的装调495.3 系统装调实验结果505.4 本章小结526 总结与展望53致 谢54参考文献551 引言1.1 课题背景光学自由曲面，目前国际上尚没有严格确切的定义，通常是指那些无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面。与传统光学表面和光学非球面不同，光学自由曲面没有统一的对称轴，不满足旋转对称性。光学自由曲面表面曲率变化较大，面形自由度更高，可以广泛满足各种光学系统的需求1 王云霞，卢振武，刘华等. 自由曲面棱镜的应用J. 红外与激光工程，2007,
14、36(3)：319-321. 。近年来在光学系统中的运用越来越多，它可以有效缩小系统的体积和重量，改善系统的成像质量，提高系统整体的性能。近年来随着科学技术的发展，人们对光学系统的中光学元器件的体积重量和光学质量提出了更高的要求，不断涌现的新的应用领域要求生产制造的光学器件能够较好的适应各类环境的需求。例如，用于宇宙深空探测的环地球轨道大口径天文光学望远镜，要求系统在尽可能减小体积和重量以减少制造搭建望远镜的成本，同时还要求望远镜的光学质量好观测分辨率高。光学器件的传统光学面形无法满足当前日益发展的对光学器件体积重量和光学质量的要求。光学自由曲面由于其表面自由度变化大的特点，可以突破传统光学元器件的限制，在复印机、激光打印机、扫描仪、彩色CRT、CPT的生产过程中,以及光纤通信、国防武器制造方面、航空航天领域都已经有了广泛的应用空间。例如，我们国家的神光项
