基于DMD的大陡度面形检测技术

作     者：邓婷 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：陈强

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：非球面 面形检测 夏克哈特曼波前传感器 动态范围 

摘      要：非球面能够让光学系统拥有更小、更轻、更简单的结构,因此越来越多地被用于现代高质量光学。但非球面的面形复杂,对其的高精度检测具有相当大的难度,这限制着光学非球面元件的制造与应用。不同加工阶段的精度要求对应的检测手段不尽相同,在研磨阶段轮廓仪即可满足其检测精度要求;在精抛光阶段通常使用零位干涉仪进行非球面的面形检测。但在精磨和粗抛光阶段,由于轮廓仪精度和干涉仪动态范围的有限性导致无法满足复杂面形的高精度检测要求。而夏克哈特曼波前传感器可以弥补该阶段检测的空缺,但夏克哈特曼波前传感器的动态范围受到微透镜的个数和尺寸的限制。为提高夏克哈特曼波前传感器的动态范围,本文使用数字微反射镜阵列（Digital Micromirror Devices,DMD）代替夏克哈特曼波前传感器的光阑对光束的分束作用,将待测波前顺序扫描并反射至探测器上来提高其动态范围。本文在夏克哈特曼波前传感器的基础上对大陡度（斜率）面形检测进行深入研究,设计了此检测方案,主要研究内容包括:一、介绍了基于DMD的大陡度面形检测技术的整体方案。从解决夏克哈特曼波前传感器检测大陡度波前易出现光斑质心交叠的问题着手,用DMD数字微反射镜阵列将波前顺序扫描反射,探测器上每次只出现一个光斑,大大地增大了其动态范围。二、介绍了光学元器件选型规则以及工装夹具的设计要求。该部分是完成大陡度面形检测的基础,实现了待测反射镜的面形到携带面形信息的波前转换。三、介绍了该系统涉及的几种基本算法。包括（1）实现波前顺序扫描的DMD控制算法。（2）用Radon变换实现DMD衍射光斑的质心提取算法。（3）由波前斜率信息反演到波前相位分布的波前重构算法。最后,本文还分析了不同光栅常数、激光波长以及入射角大小对DMD衍射效应的影响。四、对检测系统的可行性及大动态范围性进行实验验证。（1）首先完成了离焦及倾斜像差的检测,定性的验证了面形检测技术的正确性。（2）其次完成了旋转对称非球的测量并对检测结果与干涉仪检测结果进行对比分析,验证了检测系统的可行性。（3）最后对一非球面偏离量为71μm的离轴非球面进行检测,测得该非球面经球面补偿后的波前与理论非球面偏离量一致,证明该检测系统具有大动态范围。