大型光学镜面相位恢复在位检测技术研究

论文摘要

在详查卫星、天文望远镜和激光核聚变等光学领域快速发展的带动下,现代光学系统对大型光学镜面的需求与日俱增。大型光学镜面对于实现光学系统的高精度、高分辨率以及高功率有至关重要的作用。而大型光学镜面因其口径大、精度要求高且需求量逐步增加对现代光学制造和检测技术提出了较大的挑战。现代光学制造的精度和效率很大程度上取决于检测技术。大型镜面光学加工需要高精度、高分辨率以及定量化可在位的检测技术支持。而现有的传统测量方法在很多方面还不能满足大型镜面加工的需求,成为制约光学生产能力进一步提高的瓶颈。为寻求新的技术解决途径,本论文研究了基于相位恢复技术的光学镜面检测方法,为大型光学镜面的加工提供新的定量化在位检测支持,以达到提高光学镜面的加工效率的目的。相位恢复技术是一种根据光场强度来反推相位分布的方法。相位恢复技术作为一种测量技术应用于镜面测量具有结构简单,对在位环境适应能力强,适于定量计算分析等特点。因而有着良好的应用前景,可以成为非常有效的大型镜面在位检测方法。论文的研究工作包括以下几个部分:1.在现有典型相位恢复原理基础上,构建基于离焦光场的相位恢复镜面测量系统。结合研究了离焦光场相位恢复测量的原理,给出适用于离焦光场检测系统的精确快速波面衍射计算方法。结合约束集投影理论,在GS迭代算法的基础上设计了多离焦图像的相位恢复迭代算法,并从几何意义上分析了算法的收敛性。2.对相位恢复测量系统的灵敏度做了分析,建立多平面灵敏度分析方法。得到了相位恢复测量灵敏度的一些基本性质,如距离焦点较近的图像的灵敏度较高以及收敛误差随灵敏度的提高而下降等,为测量参数的设计提供了理论依据。另外,根据实际测量系统性能,进行了误差分析以及可靠性和量程范围分析。分析表明现有测量系统的测量精度和量程范围能够满足加工对在位测量的精度要求。分析表明,相位恢复测量系统的精度较高,能够满足在位测量的需要。衍射图像的明暗分布与面形误差的高低分布之间有明显的对应关系。利用此性质可以直接判断误差的方向和位置,估计误差的幅度。3.针对大型镜面对高分辨率测量的需求,提出了亚像素相位恢复方法。构建了亚像素相位恢复的算法原理,并进行了仿真和测量实验。根据实际测量条件分析了图像噪声和图像离轴对亚像素相位恢复的影响。研究结果表明亚像素相位恢复算法能够有效地提高测量分辨率,具有很强的可实现性,给镜面的高分辨率测量提供了新的方法。同时也给其它领域的高分辨率相位恢复测量提供了新的思路。4.提出了实现非球面镜无补偿镜测量的相位恢复测量方法,使用球面波光源对非球面镜进行相位恢复测量。分析了非球面镜在球面波测试光照射下的光场衍射汇聚特性。研究了由非球面度造成的光场“自干涉”的性质和变化规律以及对测量造成的影响。提出了采用遮光和调节光源位置方法来实行非球面相位恢复测量规划以降低测量的非球面度。在非球面测量规划和常规相位恢复算法的基础上,构建了专门的并行非球面相位恢复测量算法。为了提高方法的实用性,还研究了提高计算效率的等效波长近似算法。从实验角度出发对光源和衍射图像的定位问题进行了研究。并分析了定位误差对测量结果的影响,讨论了镜面遮光误差对测量的影响和控制方法。5.为验证方法的有效性,进行了大量的实验研究。包括200mm和500mm口径的球面镜检测实验、250mm口径的球面镜亚像素测量实验以及对175mm口径的抛物面镜检测实验。实验全部在模拟在位条件下进行。分别对各个实验的测量现象和结果进行了分析。总体上,相位恢复测量结果与干涉测量一致,测量误差的大小与误差分析相吻合,测量精度能够满足数控加工的要求。实验表明环境对测量无明显影响,说明相位恢复测量能够适应在位测量环境条件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题的背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 相位恢复算法理论综述
• 1.2.2 相位恢复方法应用综述
• 1.3 论文主要研究内容
• 第二章 基于离焦光场的相位恢复镜面测量
• 2.1 相位恢复测量原理及应用
• 2.1.1 相位差图像恢复
• 2.1.2 基于图像序列的光场重构
• 2.1.3 离焦图像镜面面形测量
• 2.2 光场衍射传播计算
• 2.2.1 基尔霍夫衍射积分
• 2.2.2 坐标变换快速菲涅耳衍射
• 2.2.3 远场离焦衍射变换
• 2.3 镜面检测相位恢复算法
• 2.3.1 PR 检测系统的约束集和投影运算
• 2.3.2 两平面投影迭代算法
• 2.3.3 多平面约束集相位恢复算法
• 2.4 测量灵敏度分析
• 2.4.1 两平面系统灵敏度计算
• 2.4.2 多平面系统灵敏度计算
• 2.4.3 灵敏度分析实例
• 2.5 本章小结
• 第三章 球面波相位恢复测量实验研究
• 3.1 实验设备
• 3.2 PR 测量的误差分析
• 3.2.1 误差分类
• 3.2.2 Ⅰ类误差分析
• 3.2.3 Ⅱ类误差分析
• 3.3 PR 测量的可靠性和量程分析
• 3.3.1 PR 测量的可靠性分析
• 3.3.2 PR 测量量程分析
• 3.4 口径200mm 球面镜测量实验
• 3.4.1 被测镜及其面形分布
• 3.4.2 PR 测量图像采集
• 3.4.3 PR 计算及结果分析
• 3.4.4 PR 测量重复性误差
• 3.5 口径500mm 球面镜测量实验
• 3.5.1 被测镜及其面形分布
• 3.5.2 PR 测量图像采集
• 3.5.3 PR 计算及结果分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 亚像素分辨率相位恢复测量研究
• 4.1 亚像素分辨率相位恢复测量原理
• 4.1.1 亚像素光场约束分析
• 4.1.2 亚像素相位恢复算法设计
• 4.2 亚像素光强约束函数设计
• 4.3 亚像素分辨率测量仿真实验
• 4.3.1 仿真实验设计
• 4.3.2 不同分辨率下的SPR 仿真实验
• 4.3.3 图像数量对SPR 的影响
• 4.4 图像误差对亚像素分辨率测量的影响
• 4.4.1 图像噪声对SPR 的影响
• 4.4.2 图像离轴对SPR 的影响
• 4.5 亚像素分辨率镜面测量实验
• 4.5.1 被测镜及其面形分布
• 4.5.2 SPR 测量图像采集
• 4.5.3 SPR 测量及结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 相位恢复非球面镜检测研究
• 5.1 非球面面形方程和非球面度
• 5.1.1 非球面方程
• 5.1.2 非球面度
• 5.2 非球面镜离焦光场特性
• 5.3 非球面相位恢复测量规划
• 5.3.1 APR 测量方案规划
• 5.3.2 APR 测量规划实例
• 5.4 APR 算法设计
• 5.4.1 约束集和投影
• 5.4.2 APR 并行迭代算法
• 5.5 非球面测量的快速近似计算
• 5.5.1 等效波长衍射近似计算
• 5.5.2 衍射近似计算误差
• 5.5.3 双波长APR 近似算法
• 5.6 本章小结
• 第六章 非球面镜相位恢复测量实验研究
• 6.1 光源和图像定位
• 6.2 定位误差对测量的影响
• 6.2.1 定位误差来源
• 6.2.2 定位误差对测量的影响分析
• 6.2.3 对定位误差的控制
• 6.3 镜面遮光误差对测量的影响和控制方法
• 6.4 非球面镜检测仿真实验
• 6.4.1 仿真条件
• 6.4.2 镜面测量规划
• 6.4.3 图像选取
• 6.4.4 面形恢复计算
• 6.4.5 光源位置误差对测量的影响
• 6.5 口径175mm 抛物面镜检测实验
• 6.5.1 实验条件及光源定位
• 6.5.2 图像采集
• 6.5.3 APR 检测及误差分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果