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题名:
基于哈特曼-夏克波前传感器的环形子孔径拼接检测技术
作者: 徐洪艳
学位类别: 博士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 张雨东 ; 鲜浩
关键词: 哈特曼-夏克波前传感器 ; 环形子孔径 ; 非球面 ; 梯度拼接
学位专业: 信号与信息处理
中文摘要: 光学非球面能够提高光学系统性能,改善成像质量,缩小外形尺寸和减小仪
器重量,因此广泛应用于各种光学系统尤其是大口径的光学系统。光学非球面的
检测方法一直是光学检测领域的研究热点和难点。传统的定量检测方法,如平面
镜自准直法和补偿法等均需要借助辅助光学元件如补偿器和大口径平面镜。环形
子孔径拼接检测技术是一种避免使用辅助光学元件,低成本、灵活、快速地定量
测量大口径旋转对称非球面的检测方法。以往环形子孔径拼接检测技术都是以干
涉仪作为检测仪器,其优点是检测精度高,缺点是测量动态范围较小、极易受测
量环境影响等,限制了其在光学车间加工检测中的应用。哈特曼-夏克波前传感器
具有测量动态范围大、抗测量环境干扰能力强和测量精度相对较高等优点,广泛
应用于自适应光学、人眼视网膜检测、激光光束质量诊断和光学车间检测等领域。
本论文研究基于哈特曼-夏克波前传感器的环形子孔径拼接检测技术,该技术具有
在光学加工车间对光学非球面直接测量的能力。
实现该技术的关键环节主要包括以下五个方面:1)建立有效的基于哈特曼-
夏克波前传感器的环形子孔径拼接检测系统;2)建立有效的波前复原算法复原不
同中心遮拦比的环形子孔径区域的波前相位;3)建立有效的拼接复原算法将环形
子孔径的测量数据转化为全孔径的波前相位;4)通过建立的检测系统拼接测量光
学镜面进行拼接算法的验证和分析;5)最终将该技术应用到拼接测量非球面。
围绕着上述关键环节论文工作安排如下:
在分析了基于哈特曼-夏克波前传感器的环形子孔径拼接检测技术的基本检
测原理的基础上,本文分别对拼接检测系统的关键因素进行了分析,如测量系统
中调整误差对测量波前相位的影响等,并分别提出了相应的解决方案,最终建立
基于哈特曼-夏克波前传感器的环形子孔径拼接检测系统。
由于在环形子孔径拼接检测中有不同中心遮拦比的环形子孔径区域尤其存在
大中心遮拦比的环形子孔径,因此本文建立了基于环形Zernike 多项式基模式的
波前复原算法,并对哈特曼-夏克波前传感器的精度影响因素进行了分析。分析结
果表明:基于环形Zernike 多项式模式的波前复原算法适用于复原环形子孔径区
域的波前相位;在全孔径波前相位满足采样频率的要求条件下,边缘极窄的环形
区域仍会因有效采样点太少从而致使复原矩阵严重病态性,最终无法正确复原该
区域要求的象差阶数。
本文研究了相关的环形子孔径拼接算法。通常有两种方法可以拼接复原全孔
径波前相位。一种算法是建立各个环形子孔径区域的波前相位与全孔径波前相位
的关系,该算法的前提是首先复原出相应环形子孔径区域的波前相位,即相位拼
接算法。第二种全孔径拼接复原的方法是建立各个环形子孔径斜率数据与全孔径
波前相位的关系,进而通过各个环形子孔径的斜率数据直接拼接复原出全孔径的
波前相位,即梯度拼接算法。本文实现了相位拼接算法在哈特曼-夏克环形子孔径
拼接检测技术中的应用并建立了梯度拼接算法,并对算法的精度进行了详尽的对
比和分析,结果表明:相位拼接算法的精度受环形子孔径排布方式的影响较大,
对斜率数据的测量噪声也相对较敏感;而环形子孔径梯度拼接算法对各种环形子
孔径的排布方式都保持较高的稳定的拼接精度,且具有较强的抗噪声能力。对边
界定位误差对拼接精度的影响结果表明:边界定位误差对拼接不同类型的象差的
影响不同,其中对径向分布特征明显的球差影响最大;边界定位误差位置越到边
缘对拼接精度的影响越大;边界定位误差对相位拼接算法和梯度拼接算法影响也
不同,梯度拼接算法对边界定位误差的敏感度要弱于相位拼接算法的敏感度。对
比分析环形子孔径相位拼接算法和环形子孔径梯度模式拼接算法,环形子孔径梯
度模式拼接算法具有拼接精度高和对斜率数据噪声信息不敏感等优点。
本文分别对球面、椭球面和抛物面进行了基于哈特曼-夏克波前传感器的环形
子孔径拼接检测实验,利用两次离焦拼接检测球面结果表明:环形子孔径梯度拼
接算法的精度要优于环形子孔径相位拼接算法;环形子孔径梯度拼接算法在不同
的环形子孔径排布方式下和不同的调整误差情况下均具有较高的拼接精度,并保
持较好的稳定性。检测椭球面的结果表明:基于哈特曼-夏克波前传感器的环形子
孔径拼接检测结果对比Zygo 干涉仪直接测量结果仍然取得较高的精度。本文将
该技术应用到测量一非球面度相对较大的抛物面并对比红外干涉仪侧量,检测结
果取得相对较高的测量精度。
结合该技术的基本原理和技术实现关键环节,本文探讨了针对被测量非球面
哈特曼‐夏克波前传感器的相关参数的设计要求,为下一步将该技术工程化应用和
测量更大口径非球面提供了一定的指导。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/547
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徐洪艳. 基于哈特曼-夏克波前传感器的环形子孔径拼接检测技术[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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