Φ100mm高重复性波长移相干涉仪研究

【摘要】高精度光学元件的应用需求推动着光学检测技术不断发展，光学检测技术水平决定着加工精度。相移干涉技术是高精度光学元件面形测量时最常采用的技术手段，其中利用压电陶瓷堆作为移相器的机械式移相干涉仪发展最成熟。当对高精度大口径光学元件进行检测时，机械式移相干涉仪因不可避免会产生非线性移相误差而使其检测精度受到限制。波长移相干涉仪通过改变可调谐半导体激光器的输出波长实现移相干涉测量，整个过程不需要机械式地改变干涉仪中其他部件的位置，避免了压电陶瓷堆移相引入的非线性移相误差，可满足高精度大口径光学元件的测量需求。本文的主要工作为研制一台可测口径Φ100mm、测量面形RMS重复性优于λ/10000的斐索型波长移相干涉仪，主要研究内容为：首先，概述了移相干涉技术发展现状，介绍了移相干涉仪测量基本原理和常见的移相器工作原理及优缺点；从傅里叶变换角度研究了传统标准移相算法的通用表达形式，在此基础上仿真分析了不同移相算法对移相器和探测器非线性误差的免疫效果，提出了移相干涉仪研制时移相算法的选取原则。其次，结合波长移相干涉测量原理，介绍了研制的斐索型激光干涉仪的光路布局；基于直接计算法和蒙特卡罗法建模仿真分析了振动、空气温度变化、激光光源不稳定和CCD相机噪声等随机误差对干涉仪测量面形RMS重复性的影响，在此基础上完成了本实验中激光器和CCD相机等关键器件的选型。随后，对波长移相干涉仪的移相步长标定方法进行了研究，分析了压电陶瓷堆移相和波长移相两类干涉仪移相步长标定的差异，对比研究了傅里叶变换算法和新进迭代最小二乘算法用于标定波长移相干涉仪移相步长的原理及特点；根据本实验需要介绍了一种新的移相算法—两帧差分平均移相算法用于对研制干涉仪的移相步长进行标定。最后，介绍了研制的斐索型波长移相干涉仪实验装置，利用两帧差分平均移相算法完成移相步长标定的基础上分别对其测量面形RMS重复性进行测定和对其系统误差进行了标定，结果表明：该干涉仪的测量面形RMS重复性优于0.07nm(1.106λ/10000)，基本达到设计指标；利用该干涉仪与Zygo干涉仪对相同元件进行比较测量，检测面形结果之差的RMS为0.742nm，表明研制的干涉仪具有较高的检测精度。
【作者】文刚；
【导师】杨怀江；
【作者基本信息】中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)，光学工程，2013，硕士
【关键词】波长移相干涉仪；可调谐半导体激光器；迭代最小二乘法；两帧差分平均移相算法；移相步长标定；

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