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以大型空间望远镜、空间对地详查相机、极大规模集成电路制造设备以及高能激光核聚变系统为代表的现代光学系统对于大口径光学元件面形精度有着极高的要求。子孔径拼接干涉测量技术实现大口径检测,具有低成本、高精度和高空间分辨率的优点,得到国内外学者的广泛研究。论文针对高精度平面面形子孔径拼接干涉测量应用,围绕平面面形绝对检验算法和子孔径拼接算法开展研究。
平面面形绝对检验方面,论文对现有典型平面面形绝对检验技术进行了总结,对绝对检验中旋转偏心等误差源进行了量化分析,比较了典型算法的综合性能,进行了绝对检验算法的选择,提出了一种提高检测精度和可操作性的绝对检验夹具。干涉仪标准镜的面形误差影响每个子孔径的测量结果,是拼接检测的一个重要误差源。采用绝对检验技术,对标准镜面形进行定标,从而使子孔径面形测量不受标准镜精度的制约,提高拼接精度。运用前36项Zernike多项式构建被测平面,对边缘噪声、平面原始精度、旋转角度与偏心误差等因素对平面面形绝对检验技术测量精度的影响进行了模拟分析。结果表明以奇偶函数法、旋转对称法、镜面对称法为代表的典型绝对检验技术对被测平面原始精度、干涉图分辨率和旋转角度误差不敏感,而对边缘噪声和旋转偏心误差敏感。实际测量中,建议采用综合性能最好的奇偶函数法,采用辅助夹具将旋转轴心对准误差控制在<2个像素,测量区域取~95%全孔径中心面积。
子孔径拼接方面,在比较两两拼接、目标函数拼接等拼接算法的基础上,研究了拼接位移台定位误差、子孔径离散噪点对拼接测量的影响,提出了一种拼接位移台定位误差补偿子孔径拼接算法,开发了基于最小二乘两两拼接的平行并行模式子孔径拼接Matlab软件。运用Zernike多项式和Zygo干涉仪实测数据文件构建全孔径波面,进行子孔径划分,考虑拼接位移台定位误差,在子孔径数据中加入插值、倾斜和平移误差后评估了拼接算法的可用性和噪声性能。对于连续光滑平面,在拼接位移台定位误差小于CCD单个像素对应探测区域的1/10时,其对拼接测量的影响可以忽略;调整离散噪点阈值,使噪点数为全孔径像素数的0.01%时,也可以显著减小子孔径离散噪点对拼接测量的影响。