剪切干涉测量光学元件的波前重建方法及其仿真研究

【摘要】：随着国防与尖端科学技术的发展,高精密的光学系统得到广泛应用,使得光学元件的需求量与日俱增,精度要求越来越高。获得高质量光学表面的关键技术在于能否提供可靠的、行之有效的检测结果指导加工。在传统加工中,加工和检测是分别进行的,使得加工效率低,精度不高。因此,研究开发一种有效的在位检测技术并进行反馈加工成为解决高精度光学元件急需的关键。光学剪切干涉测量法是一种不需要标准参考波面的共光路自比较干涉测量法,具有抗干扰、防震动等特点,是实现在位测量的有效手段。但是剪切干涉的干涉图不具有直观性,需要进行复杂图像处理与波前重建,从而限制了其应用。研究剪切干涉测量光学元件的波前重建方法,具有重要意义和应用价值。 首先,干涉图需要进行图像处理。通常通过干涉仪所获得的干涉图是光强分布,并非干涉图像的相位分布。分别采用相移法和傅立叶变换空间载波法从强度分布得到相位分布,相位解包方法进行解包,编写了用于提取相位信息的傅立叶变换空间载波法和四步相移法的程序及其基于相位跳变区域划分的相位解包程序,为剪切干涉测量光学元件的系统提供了图像处理程序。 其次,需要重建波前。在对波前重建算法进行研究分析的基础上,采用Zernike多项式最小二乘拟合波前的拟合算法及其重构方法,编写了Zernike多项式波前重建算法程序,并给出了关键部分模块的流程图及其过程,为剪切干涉测量光学元件的提供了重建波面程序。 最后,根据横向剪切干涉原理和波像差公式,计算出各种波像差的剪切干涉图。用Zernike多项式的波前重建算法程序分析了剪切量、拟合阶数、波面函数和解方程方法对重建波面精度的影响,提高了波面的重建精度。以抛物面反射镜的为例,进行了横向剪切干涉测量仿真,仿真结果表明图像处理程序和重建波面程序正确,可以用于剪切干涉测量系统的数据处理。