强光元件逆向哈特曼在位检测装置误差敏感因素分析与验证.pdf
《强光元件逆向哈特曼在位检测装置误差敏感因素分析与验证.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《强光元件逆向哈特曼在位检测装置误差敏感因素分析与验证.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、光学元件激光损伤强光元件逆向哈特曼在位检测装置误差敏感因素分析与验证*王姗姗1,石峰2,乔硕2,徐博文1,郝群1,3,宋辞2,铁贵鹏2,田野2,翟德德2,彭星2(1.北京理工大学光电学院,精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室,北京100081;2.国防科技大学智能科学学院,长沙410073;3.长春理工大学光电工程学院,长春130022)摘要:针对基于强光元件高精度面形在位检测需求,开展了面形测量误差敏感因素仿真分析,进行了系统结构误差和温度误差对测量结果的影响研究,分析各类误差对测量面形误差的具体影响,设计并搭建在位检测系统,开展系统温度变化、系统重复性、系统稳定性等测量实验。研究结果表明
2、:所建立的逆向哈特曼仿真检测模型可用于平面、球面、非球面、自由曲面等各类型被测面,各类影响因素对测量结果的影响主要体现在低频误差上,对高频误差的影响相对较小,搭建的在位检测系统 6h 内测量面形误差 PV 值最大不超过 68nm(约/10),RMS 值最大不超过 15nm(约/40)。关 键 词:面形测量;在位检测;强光元件;误差分析;仿真模型中图分类号:TH74文献标志码:Adoi:10.11884/HPLPB202335.220405Error-sensitivefactorsanalysisandverificationforopticalelementin-situmeasuremen
3、tdevicebasedonphasemeasuringdeflectometryWangShanshan1,ShiFeng2,QiaoShuo2,XuBowen1,HaoQun1,3,SongCi2,TieGuipeng2,TianYe2,ZhaiDede2,PengXing2(1.Beijing Key Laboratory for Precision Optoelectronic Measurement Instrument and Technology,School of Optics and Photonics,Beijing Institute of Technology,Beij
4、ing 100081,China;2.College of Intelligence Science,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China;3.School of Opto-Electronic Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)Abstract:Basedonopticalelementshighprecisionin-situmeasurementrequirements,
5、thispapercarriesoutthesensitivefactorsimulationanalysis,studiestheinfluenceofsystematicstructuralerrorsandtemperatureerrorsonthemeasurementresults,anddesignsandbuildsanin-situmeasurementdevicetocarryoutmeasurementexperimentsofsystemtemperaturechange,systemrepeatabilityandsystemstability.Theresultssh
6、owthatthesimulationdetectionmodelcanbeusedforplane/spherical/aspherical/freesurface,theinfluenceonthemeasurementresultsismainlyreflectedinthelowfrequencyerror,thehighfrequencyerrorisrelativelysmall,themaximumPVvalueofthemeasurementsurfaceshapeerrordoesnotexceed68nm(about/10),andthemaximumRMSvaluedoe
7、snotexceed15nm(about/40).Keywords:shapemeasurement,in-situmeasurement,opticalelement,erroranalysis,simulationmodel作为光学系统中的重要组成部分之一,强光元件在工业、军事以及航空航天等领域有着广泛的应用,其精确高效的面形测量技术是当前研究热点问题1-3。面形检测目的是尽可能准确地还原出待测镜的真实面形,即获取待测镜上每一点的相对位置信息,从而得知其与理想面形的差距,以便于在应用中对损伤加以修复或补偿。现有面*收稿日期:2022-11-30;修订日期:2023-05-23基金项目:国家
8、重点研发计划项目(2021YFC2202403-2);国家自然科学基金项目(62175259)联系方式:王姗姗,。通信作者:石峰,。第35卷第9期强激光与粒子束Vol.35,No.92023年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.,2023091002-1形检测方法中,根据检测方式不同,主要有点线式测量法4-6和面式测量法7-9两大类方法。点线式测量是一种传统的检测方法,原理相对简单,发展较为成熟,主要用于元件的前期加工阶段。但由于其需要对待测元件进行全口径的逐点或逐线扫描,测量过程时间较长,其检测效率偏低,难以满足快速在位检测要求。面式测量法中,逆向哈特曼法
9、(PMD)在高精度镜面面形检测领域应用较为广泛7,10-12。南洋理工大学的 HuangHB 等人13对 PMD 法在动态表面测量领域进行了研究,并成功实现了水面动态波纹三维面形的测量,验证了该方法在动态表面测量上的可行性。电子科技大学的 SongL 等人14首次给出了 PMD 中各结构的解析表达式,分析了系统结构之间相位关系,为进一步研究打下了基础。四川大学阮一郎15基于PMD 原理建立逆光线追迹模型,实验测量了有效孔径为60mm的平凸透镜在不同视场下的波前像差,将实验结果和模拟结果进行了对比分析,并且分析了轴外点初级像散和初级彗差随着视场以及入瞳孔径的变化规律。上海科技大学8研制了基于 P
10、MD 的面形轮廓测量系统,该系统可测量口径为 300mm、倾斜角度为20的自由曲面,对倾斜角度达16的椭球面的测量结果显示,其残余误差的峰谷(PV)值约为 30m。但该系统在测量时会引入重复性很强的低阶 Zernike 拟合误差,在处理测量结果时需要对前 8 项 Zernike 系数进行去除。四川大学和中国科学院光电技术研究所16利用立体 PMD 对预应力薄镜进行面形测量,针对不同的矫正力对镜面面形的影响,可以实现与三坐标仪相当的测量精度;但其单次测量误差受低阶误差影响较大,需要对待测镜旋转一周后去除低阶误差,因此对调整结构要求较高,需保证在旋转待测镜时不会引入新的误差。总体来看,面式测量法中
11、的逆向哈特曼法直接测量值为面形斜率,对振动、气流等外界环境要求较低,系统结构相对简单,易于进行机床集成,且其测量范围大、灵敏度高,有望用于光学元件在位检测。但目前逆向哈特曼法受到低阶面形误差测量不准确的困扰17-18,在现有研究中,对面形误差进行 Zernike 拟合后的低阶项采取直接去除,只评价其中高频面形误差与干涉测量的一致性,但本文聚焦的平面镜快速修复应用中,离焦、像散等低频、大振幅面形误差测量却极为关键,不能一去了之。综上所述,在实际检测过程中,受检测环境、检测系统装调、检测装置固有条件等因素影响,检测系统很难在理想条件下进行工作。为此,本文基于逆向哈特曼法,拟进行详细的仿真误差分析,
12、建立仿真分析系统模型,对系统各项定位误差引起的面形误差幅值与种类进行了单因素定量分析,针对检测系统定位中的主要影响因素进行研究,根据实际应用需求,设计搭建在位检测装置,验证该方法的测量精度、重复性与长时稳定性。1仿真模型根据实际检测情况,在 Zemax 中搭建光学模型,可通过图 1 所示数据传输过程完成仿真模型的建立,对检测系统中的各影响因素进行分析研究。onsetwrite anextensionprogramcreate aDDE linkinitiate datarequirementsZemax executes theprogram to get thedataget data an
13、dcalculateterminatethe DDElinkendFig.1Datatransmissionflowchart图1数据传输流程图利用上述面形仿真模型,以平面镜为例,分析设定初始系统基本参数。为达到在位检测目的,图像发生器尺寸需足够覆盖待测镜表面,探测器有效视场范围需能够接受全部反射光线,同时图像发生器与待测镜之间应留有足够的加工空间。根据实际情况,以口径 430mm430mm 的标准平面镜作为待测镜,待测镜反射表面中心为坐标原点建立空间坐标系,反射表面为 XOY 平面,系统关于 YOZ 平面对称,图像发生器距原点 1140mm,针孔光阑距原点沿 Z 轴距离 1075mm,沿 Y
14、 轴距离 50mm。在 Zemax 中取待测镜边缘光线进行追迹,如图 2 所示。对边缘光线坐标进行追迹,获取边缘光线在图像发生器上对应坐标,向上取整得到图像发生器最小尺寸应为886mm880mm;计算探测器对应边缘光线角度,向上取整得到探测器有效视场角大小应大于 19.9。在此基础上,完成仿真检测系统搭建,根据实际探测器分辨率,仿真中光线追迹数量设定为 10001000 的光线矩阵,以上述系统基本参数为基础分析检测影响因素。强激光与粒子束091002-2在实际检测中,待测镜的表面面型会有所不同,对应的理想面也会不同。一般情况下,面型的主要影响因素是二次曲面常数 k,为研究不同面形对仿真系统的影
15、响,选取不同二次曲面常数的曲面进行仿真检测。分别取 k=2、1、0、1、2,其代表面型包括双曲面、抛物面、平面、球面和椭球面,通过仿真模型分别计算面形,再与理论面形相减得到面形误差如图 3 所示。200200150100500501001502000200X/mmY/mm2.01.51.00.500.51.01.5(a)k=2200200150100500501001502000200X/mmY/mm2.01.51.00.500.51.02.01.5(b)k=1200200150100500501001502000200X/mmY/mm1.51.00.500.51.01.5(c)k=02002
16、00150100500501001502000200X/mmY/mm2.01.51.00.500.51.01.5(d)k=1200200150100500501001502000200X/mmY/mm1.51.00.500.51.01.52.0(e)k=2surface error/1014 nmsurface error/1014 nmsurface error/1014 nmsurface error/1014 nmsurface error/1014 nmFig.3Differentkvaluescorrespondtothemeasurementsurfaceshapeerror图3不
17、同 k 值对应测量面形误差对于不同面型对应的面形误差,计算面形误差大小如图 4 所示。可以看出,对于不同面型,仿真模型计算误差均很小,PV 波动在 1108nm 内,RMS 波动在 1109nm 内,可以认为,仿真检测系统对不同面型理想检测误差均在可接受范围内,且波动误差可以忽略不计,可以说明仿真模型对不同面型均有效。2分析与讨论2.1图像发生器定位误差nn在检测系统中,由于安装调整中的不确定性,图像发生器的实际位置会与检测中的计算位置有一定误差。可将图像发生器的误差分解为沿 X、Y、Z 方向的偏移,以 Z 方向偏移为例,如图 5 所示,当图像发生器位置沿 Z 轴正方向产生偏移时,由于位置误差
18、导致光线计算方向发生偏离,为待测镜表面采样点实际法线方向,为计算法线方向。本文主要关注起伏误差,其形状分布会随引起误差的因素不同而表现出不同的特点,具有一定随机性,属于不可预见的误差,因此将起伏误差分离出来作为需要分析的面形误差。经过去倾斜处理后的面形误差见图 6。对图像发生器沿 Z 轴方向偏移0.01mm 范围内引起的面形误差进行计算,可用峰谷值(PV)和均方根值(RMS)来衡量YXZ(a)YOZ plane(b)XOY plane YXZFig.2EdgeraytracingofZemax图2Zemax 边缘光线追迹图王姗姗,等:强光元件逆向哈特曼在位检测装置误差敏感因素分析与验证0910
19、02-3面形误差大小,得到偏移量与 PV、RMS 关系曲线如图 7 所示。可以看出,面形误差大小随着图像发生器的偏移量增大而增大,且近似呈线性关系,偏移量最大时,PV 最大值为152.7nm,RMS 最大值为 30.6nm。这一误差大小与测量允许误差大小相近,因此图像发生器定位精度应不低于 0.01mm。面形误差可通过 Zernike 系数进行拟合,所以对于面形误差的具体类型,可以通过计算其对应 Zernike 系数进行分析。当图像发生器沿 Z 轴正方向偏移 0.01mm 时,对去倾斜后得到的面形误差求 Zernike 系数,取前 37 项如图 8 所示,横坐标 x 表示项数,纵坐标 y 表示
20、 Zernike 系数。可以看出,此时面形误差对应为第 1、3、4、6、7 项,可认为图像发生器沿Z 轴偏移引起的面形误差对应像差为平移、Y 向倾斜、离焦、0初级像散和 Y 轴初级彗差,其中主要为平移、离焦和 0初级像散项。第 1 项平移项无实际意义,一般不作考虑,后文对平移项也都忽略。因此,图像发生器沿 Z 轴偏移引起的面形误差对应像差为离焦和 0初级像散项。综上,按上述方法分别求得图像发生器沿 X、Y、Z 三个方向偏移所引起的面形误差,见表 1。沿 Z 轴方向偏移所引起的面形误差大于沿 X、Y 轴方向,在偏移量相近时,沿 Z 轴方向的偏移是造成检测误差的主要来源。由此可知,检测中图像发生器
21、沿 Z 轴方向的位置精度对最终检测结果的影响最大。2.2针孔光阑定位误差针孔光阑与图像发生器定位方式类似,因此定位精度也在同一量级,对针孔光阑沿 Z 轴方向偏移正负 0.01mm范围内引起的面形误差大小进行计算,得到偏移量与 PV、RMS 关系曲线如图 9 所示。与图像发生器偏移引起的误差类似,针孔光阑偏移所引起的面形误差大小近似与偏移量成正比,偏移量最大时,PV 最大值为 161.9nm,RMS最大值为 32.4nm。当针孔光阑沿 Z 轴正方向偏移 0.01mm 时,对去倾斜后得到的面形误差求 Zernike 系数,取前 37 项如图 10 所示,可以看出,此时面形误差对应第 3、4、6、7
22、 项,可认为针孔光阑沿 Z 轴偏移引起的面形误差对应像差为 Y 向倾斜、离焦、0初级像散和 Y 轴初级彗差,其中主要为 4、6 项。综上,分别求得针孔光阑沿 X、Y、Z 三个方向偏移所引起的面形误差,见表 2。对比发现,沿 Z 轴方向偏移所引起的面形误差大于沿 X、Y 轴方向,在偏移量相近时,沿 Z 轴方向的偏移是造成检测误差的主要来源。这一结论2.0 1.5 1.0 0.500.51.01.52.0k4.03.53.02.52.01.51.00.50surface shape error/108 nmPVRMSFig.4Thesurfaceshapeerrorscorrespondingto
23、differentkvalues图4不同 k 值对应面形误差picturegeneratordetectorcalculationZYXfactcalculationn nmirror to testFig.5SchematicdiagramoftheinfluenceofimagegeneratorpositioningerroralongZaxis图5图像发生器沿 Z 轴定位误差影响示意图200200150100500501001502001000100200X/mmY/mmsurface error/nm1008060402002040(a)plane error(b)three-dim
24、ensional error10050050surface error/nmY/mmX/mm20010001002002001000100200Fig.6De-skewedsurfaceshapeerrorcausedbytheimagegeneratoroffsetting0.01mmalongthepositivedirectionofZaxis图6图像发生器沿 Z 轴正方向偏移 0.01mm 引起的去倾斜后面形误差强激光与粒子束091002-4与图像发生器的位置误差相似,通过检测原理图可知,图像发生器与针孔光阑位置相对应,位置误差对检测结果的影响也应当类似。因此,通过仿真系统模拟检测的结
25、果可以反映出真实检测时的情况。2.3镜头畸变误差探测器的畸变主要来自于光线在镜头中传播时产生的镜头失真,镜头失真所带来的畸变可以主要分为切向畸变和径向畸变两类。在实际应用中,由于切向畸变通常可以避免,而径向畸变中的高阶项通常无法考虑,使用一阶表1图像发生器定位误差对测量结果影响Table1Influenceofimagegeneratorspositioningerroronthemeasurementresultsdirectionmaximumsurfaceshapeerror/nmcorrespondingtoZernikecoefficientsPVRMSnumberoftermsnu
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 强光 元件 逆向 哈特曼 在位 检测 装置 误差 敏感 因素 分析 验证
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。