783勾鹏飞开题报告

1、XIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY毕业设计（论文 开题报告题目：大口径光学表面检测中的光学系统设计院V系）光电工程学院专业光电信息工程班级 070108姓名勾鹏飞学号 070108103导师王红军2018年3月7日1. 毕业设计 论文）综述 题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1题目背景及研究意义 ：随着科学技术的不断发展，大口径光学系统在天文光学、空间光学、地基 空间目标探测与识别、高功率激光系统（如美国国家点火装置或国内神光装置 等高技术领域得到了越来越广泛的应用。光学系统口径尺寸的增大既可提高空 间分辨率又能增大信号能量，因此大口径光学元件是地面天文、空间

2、天文以及 其它监测系统等领域所迫切需要的，己成为发展这些高技术的关键部件之一， 例如：“神光”计划需要大批量250x350m的高精度反射镜、LAMOS工程需要 多块对角线尺寸为1.lm的六角形反射镜以拼接成6M勺望远镜主镜3等。对大口 径光学元件的质量检测，尤其对实现精密加工与系统安装校正、在线测试，是 确保这些光学系统的综合质量所必需的，要求发展与之精度相适应的检测方法 和仪器。大口径光学元件在波面检测精度、检测速率、信息存储等方面的要 求，使得对大口径移相干涉仪的需求与日俱增。这些测试必须用不低于入/20的大口径干涉仪测量其平面面形及其对面形的高精度检测。光学面形的检测技术是准确反映面形质

3、量的关键，随着天文望远镜的迅速 发展,对天文光学镜面检测技术的要求也越来越高。干涉计量法的速度和准确性 都非常好，因而成为光学面形检测领域常用方法之一。目前光学平面镜的直径大 于150m或更大直径,商业标准的100mm或150mm口径的干涉计量仪是很难对其 进行大口径测量的。目前，高精度大口径平面镜的干涉计量法检测通常采取两种 方式:一种就是瑞奇-康芒检测法4,检测平面镜口径可以很大，实际检测成本也 不是很高。而另一种方法则是用菲索干涉仪 来检测大口径光学镜面质量，此 方法原理简单、结构易于实现而被广泛采纳。目前国内的最大平面干涉仪的检 测口径为800mm若平面镜口径大于800mm则干涉仪的制

4、作难度和成本都很高， 从而可考虑瑞奇-康芒检测法。但对于一般检测口径在 300m左右的镜面用瑞奇- 康芒法其精度等就达不到，而且瑞奇-康芒法结构与原理都不容易掌握。所以对 此课题我们采用菲索干涉法来完成光学表面的检测，在口径为300m左右的平面镜的实际检测中是一种经常使用且又行之有效的方法。采用菲索干涉仪检测方 法,可以较好的进行大口径光学平面的检测，此检测方法的研究在天文光学领域 中的应用具有十分重要的意义。1.2国内外相关研究情况：目前，国内的研究技术与国外相比较仍有较大的差距。对于大口径光学表 面的检测技术还比较落后，而国外对于大口径光学表面检测技术有好多种方 法。例如，在 2001 年

5、，日本研制了 FUJI（Japanese Ultimate Flatness Interferometer310mm 斐索型移相平面干涉仪 ，采用立式结构，可以测量直径为310mm勺平面面形。如图1.1所示，点光源采用稳定的 He Ne激光（又 =632.s nm,标准参考镜口径为 350mm厚度为100mm材料为合成熔石英。标 准参考镜采用18X3个胶点侧面支撑，并用三面互检法来标定参考平面的偏差， 测量结果显示面形误差最大 P 一 V值为30nrn。CCD分辨率为1024x1024。为验证FUJI的精度，FUJI与澳大利亚CSIRO研制的LADI作过一次国际测量比对, 发现测量差仅小于 4

6、nm此技术标志着菲索干涉的对平面检测的重要意义，以及菲索干涉的应用的广泛。CCD针孔亍7z3溜图1.1 FUJI斐索立式移相干涉仪2. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1本课题设计要求：要求在熟悉各种检测光学表面的仪器与原理方法，以及对它们的检测大口径 光学表面的光学系统做一更深刻的理解与掌握。其主要的方法如瑞奇-康芒法检测光学表面；菲索干涉仪和泰曼一格林干涉仪等来检测光学表面。对本课题 主要采用菲索干涉仪来完成一种可检测300mm 口径光学平面的光学系统设计；其精度要达到1/50波长。2.2本课题设计内容：1）熟悉现有的大口径光学平面的检测方法；能够熟悉应用ZMAM

7、件。2）分析各种大口径光学平面检测方法的优缺点；本课题主要分析了瑞奇 康芒法检测光学表面；子孔径拼接干涉测试技术；斐索移相干涉仪与泰曼-格林干涉仪等来检测光学表面。3）根据了解的知识与原理设计一种可检测300mm口径光学平面的光学系统;这里采用的菲索移相干涉仪中的光学设计，其最主要的还是光源；准直物镜； 标准平晶；PZT移相；CCD这些方面的研究。,它的相干长度可达到几十 M以上，并且亮度很大，可见其干涉 腔长度并不受光源时间相干性的限制。2.3.2准直物镜：准直物镜的作用是给出一束垂直入射在干涉腔上的平行光，而准直物镜可能存 在一定的角度差，这种角度差对整个光学系统的精度有影响。所以在设计时

8、要 达到一定的测量精度，需对角球差提出一定的要求9，是角球差尽量的减小。由此对准直物镜的设计我们就可以从光源的角度范围，准直物镜的相对口径， 有限的结构参数方面着手去设计。可采用在一块平凸透镜的基础上，根据消球 差要求把平面修磨抛光成非球面去设计。对角球差的计算可以由式t 9 2 n入（2.3.1求出，其中B为角球差；n为所允许的小数部分误差；t为干涉腔厚度。2.3.3标准参考镜的设计：标准参考镜的参考平面是平面干涉仪的测量基准，因此对于设计标准参考平面 的平面度有严格要求。所以我们应从材料的膨胀系数和残留应力这些方面去考 虑，还有在加工和装置时应尽量减小参考面的变形。对于大口径参考平板（如直

9、径在200mm以上 还要考虑自重变形，而这种重力变形可以采用有限元方法何对此参考镜在不同轴向支撑方式的表面变形进行了分析，并对其设计参数进行一 定的设定与计算。根据此课题的设计要求设计的标准参考镜直径应在320mm精度应达到入/100以上。最后对于设计好的标准参考镜可以用液面基准法11和平面绝对检验（如三面互检法12和伪剪切法13来检测。2.3.4移相装置由于参考镜较大且比较重，所以对移相器应提出更高的要求。由于在光学系统 中要通过改变光程差引起位相差来实现对待测面的检测，而要实现光程差的改 变需通过PZT平稳驱动且准确地沿光轴以微 M量级平移，这里移动部件 标准 参考镜）和PZT之间的连接必

10、须是单点接触，这样就可以能保证标准参考镜沿 轴线方向运动，不产生倾斜和旋转。对于PZT移相装置应考虑到它存在迟滞、蠕变等现象，还有如何获得施加到压电陶瓷上精确的电压参数也是此设计的一 个需解决的问题14。2.3.5接收器的选择可以采用CCD来接收与采集干涉条纹。此课题可采用 CCD固体摄像机对经 PZT移相调制而随时间作规律变化的干涉场进行采样，将 CCD所接收的视频图 像信号数字化后送入计算机，经过分析处理，得到被测波面的相位分布 15。2.4技术指标：测量范围：100-300mm测量精度：1/50波长。3. 预期成果1. 完成一篇论文；2. 设计出对大口径光学表面检测的光学系统，完成相应器

11、件的设计与要求，使其达到测量要求。4. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作4.1研究重点：本课题采用斐索移相干涉仪的原理来完成，而对于此设计在于光学系统的 设计和对许多的光学元件的选择与要求。主要的是参考面，透镜，分光镜，移 相技术16，光源选用的确定 激光光源17）。4.2研究难点：1. 准直透镜的参数设定；2. 标准参考镜的设计；3. 移相器微位移步距的精确控制。4.3前期已开展工作：1. 查阅相关资料，了解了大口径光学表面检测的背景，工作原理及基本组成 结构。2. 熟悉菲索干涉相关知识，了解了基本软件的应用以及对菲索干涉的应用范 围。3. 初步制定本课题研究的工作方案，工作进度计划5

12、. 完成本课题的工作方案及进度计划 :964-9693 崔向群.LAMOS工程及进展.天文学进展.2001，19(2:123-1284 袁吕军,邢娜.大口径光学平面瑞奇-康芒检测技术的研究J.光学技 术,2007,(5 . 韩军，刘钧.工程光学.西安：西安电子科技大学，2007.9Toshiyuki T.， Nbuaki U.,Knichi H., et al.JaPaneseultimateflatuessin terferometer(FUJIa nditsPrelimi naryexPerime nt.SPIE.2001，4401:83-907 王朝暄.大口径光学平面干涉检测的子孔径拼接

13、研究D.南京理工大学： 南京理工大学,2007.8 尹嘉懿.光学平面与五棱镜绝对检验方法研究D.南京理工大学：南京理工 大学,2009.9 D.Malacara.OptiealShop Test in gM.2 ndEd.,U nitedStates ofAmerica:John wiley &Sons Inc.1992:151-15210 谭建国.使用ANSYS6.OS行有限元分析.北京大学出版社2002.1-2511 LoadR.InterferencebandsandtheirapPlieation，Nature， 1893，48:212-21412 S.Fritz,Absolutecalibratio nofa noptiealfiat，OPt.E ng.1984，23(4:379-38313 P.B.Kecnan , Pseudo-shear