基于光谱共焦原理的三维表面形貌测量的光学系统研究

作     者：王安苏 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：解滨

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：表面测量 光谱共焦 色散物镜 光学设计 

摘      要：随着精密加工技术的不断发展,光电子、材料、信息和生物医学等产业中研制、开发的高精密设备日益增多,各种精密微小的元器件得到广泛应用,提高了元件表面质量检测的要求,推进了三维面形测量技术的快速发展。光谱共焦三维表面形貌测量技术在近些年备受关注,通过波长和高度的调制实现了元件表面的非接触测量,测量精度高,速度快,可以实现元件的在线测量,应用广泛。本文立足光谱共焦三维表面形貌测量的原理,以理论分析和软件模拟的方式,研究了光谱共焦测量系统中影响系统性能的关键因素。1.对国内外的光谱共焦测量技术的发展展开调研,通过分析光谱共焦测量技术的原理和系统性能指标,确定了光谱共焦三维表面形貌测量系统的构成和整体方案。2.用ZEMAX软件设计仿真了测量系统的核心部件——色散物镜,并分析和评价了色散物镜的光学性能。色散物镜的工作波段为450-700nm,轴向色散达到120μm, 轴向色差和波长基本满足线性关系,线性回归判定系数R=0.9996,各波长焦平面上的散斑接近艾里斑,基本达到衍射极限。3.对组成光谱仪的各系统进行分析,用ZEMAX设计仿真了交叉式切尔特-纳特型平面光栅光谱仪的分光系统,分辨率达到0.2nm。4.对光谱共焦三维面形测量系统的检测精度进行分析,同时考虑了实际制造过程中加工和装调误差对系统的影响,进行了公差分析,实现了系统测量精度为0.1μm的预期。本课题研究说明光谱共焦三维表面形貌测量是一种高效的表面形貌在线测量方式,对光学元件的表面测量具有普适性,在中高精度元件的面形检测中具有很大的发挥空间。