典型透射系统多波长波前检测方法研究

论文摘要

光学系统的透射波前含有丰富的信息,对波前的检测是评估光学系统性能以及研究光场的一个重要手段。透射式光学系统的波前需要在特定波长下检测,由于检测仪器和测量原理的限制,目前只有少数特定波长波前可以准确检测。随着技术的发展,很多亟需的光学系统波前检测仍不完善,特别是一些具有特殊用途的波段,比如近红外等。针对这一问题本文在现有仪器和检测技术的基础上提出了多波长波前检测方法,可以实现一定波段范围内任意波长透射波前的检测。多波长波前检测方法的核心是建立透射波前与波长函数关系,通过几个特定波长波前和对应波长的函数关系式计算出其它波长波前,间接实现任意波长聚焦位置透射波前的检测。其中透射波前可以使用Zernike多项式和波前离散点表示,本文重点研究了Zernike系数与波长的函数关系。通过对大量光学系统的模拟仿真得到了两个可以用于描述Zernike系数-波长曲线的公式,即Conrady公式和复消色差特性公式。其中Conrady公式主要用于大多数单色系统和部分消色差系统,而复消色差特性公式几乎可以用于表示包括单色系统、消色差系统和复消色差系统在内的大部分光学系统波前Zernike系数与波长的函数关系。接着使用这两个公式继续分析光学系统其它参数与波长的函数关系,进一步证明了两者可以描述光学系统主要参数与波长的变化规律。在聚焦位置多波长波前检测原理的基础上,提出了离焦位置任意波长Zernike系数算法,理论可以实现在离焦位置任意波长透射波前的检测。基本原理是在聚焦位置Zernike系数基础上补偿离焦距离内Zernike系数的变化量,使用该算法对一个消色差双胶合镜头进行验证,计算结果表明离焦算法对于与位置有关的Zernike项有明显作用,而其它Zernike项可以使用离焦位置的数据直接计算。根据多波长波前检测原理设计实验装置,以632.8nm激光干涉仪为原型,共搭建了五个波长激光干涉仪。采用单透镜代表单色系统进行检测,按照相关公式计算并验证Zernike系数与波长的函数关系,同时分析多波长波前检测的可行性。结果表明对于单调Zernike系数-波长曲线,采用两点求解二项Conrady公式的方法即可预测4001000nm波段的Zernike系数。而受到测量误差的影响,求解Conrady公式及复消色差特性公式在很多时候并不能得到理想的结果。因此通过求解二项Conrady公式的方法目前主要适用于单色系统。接着在聚焦位置多波长波前检测实验基础上改进装置,根据离焦算法,测量一个消色差双胶合镜头每个波长聚焦位置以及离焦位置的Zernike系数,实验结果证明了算法中Zernike系数与位置呈近似线性关系的假设条件,并且离焦项Z3根据算法得到特定位置Zernike系数-波长曲线也与仿真结果相同。通过对多个镜头的实际测量表明多波长波前检测方法可以预测部分光学系统在一定波段范围内任意波长波前。此外根据光学系统其它参数与波长的函数关系,通过实验简单验证基于离散点检测任意波长波前的方法,设计了可变波长标准球面镜头,并提出了检测任意波长焦距的方案。本文基于多波长透射波前检测这一核心问题,建立了光学系统像差及相关参数与连续波长的函数,本质上研究的是传统光学中常见的色散问题,通过大量仿真得到了两个重要的表达式。利用光学系统色散特性提出的新型波前检测方法简化了传统多波长透射波前的检测,并有望成为一种通用的检测技术,以满足我国工业制造、光电子信息、激光通信等重要领域的高端光学系统波前检测需求,对现代光学系统质量和性能的高精度检测具有重要意义。同时本文所发现的色散特性未来可以在很多方面得以应用,对于光学设计和光学计算等领域都有重要价值,并将在相关的光学领域产生一定影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 波前检测技术的研究背景及意义
•     1.1.1 波前像差简介
•     1.1.2 波前检测方法
•     1.1.3 Zernike系数拟合波前
•     1.1.4 现有技术在透射波前检测中的局限
•   1.2 课题来源
•   1.3 本文主要内容及章节安排
•     1.3.1 论文的主要研究内容
•     1.3.2 论文的工作安排
• 第二章 数字化相移激光干涉仪
•   2.1 菲索干涉仪
•     2.1.1 菲索干涉仪基本结构
•     2.1.2 数字化相移干涉仪工作原理
•     2.1.3 干涉仪测量面形及波前
•   2.2 干涉仪模块化设计
•     2.2.1 菲索干涉仪模块化设计思路
•     2.2.2 模块化干涉仪光学系统的设计
•   2.3 本章小结
• 第三章 多波长波前检测方法
•   3.1 多波长波前检测原理
•   3.2 波前Zernike系数与波长函数关系
•     3.2.1 模拟仿真及数据采集
•     3.2.2 数据处理及分析
•     3.2.3 求解曲线与拟合曲线的区别
•     3.2.4 Conrady公式与Hartmann公式
•     3.2.5 计算Zernike系数拟合波前
•   3.3 相对孔径及视场对Zernike系数-波长曲线的影响
•     3.3.1 相对孔径的影响
•     3.3.2 视场的影响
•   3.4 复消色差特性公式
•     3.4.1 消色差系统
•     3.4.2 复消色差系统
•     3.4.3 复消色差特性公式中波长项系数的取值范围
•   3.5 本章小结
• 第四章 光学系统主要参数与波长函数关系
•   4.1 波前离散点
•     4.1.1 基于离散点计算任意波长波前
•     4.1.2 消色差系统
•     4.1.3 复消色差系统
•   4.2 焦距
•     4.2.1 单色系统
•     4.2.2 消色差系统
•     4.2.3 复消色差系统
•   4.3 场曲与畸变
•   4.4 本章小结
• 第五章 离焦位置任意波长透射波前Zernike系数算法
•   5.1 Zernike系数与波长及位置的函数关系
•     5.1.1 Zernike系数与波长的函数关系
•     5.1.2 Zernike系数与位置的函数关系
•   5.2 消色差系统离焦量计算
•     5.2.1 波长聚焦位置求解
•     5.2.2 系统工作位置的计算
•   5.3 离焦Zernike系数算法验证
•   5.4 离焦算法适用范围讨论
•     5.4.1 离焦算法中离焦范围的讨论
•     5.4.2 视场的影响讨论
•   5.5 本章小结
• 第六章 多波长波前检测实验
•   6.1 聚焦位置多波长波前检测
•     6.1.1 检测实验原理
•     6.1.2 实验装置搭建
•     6.1.3 多波长波前测量结果
•     6.1.4 求解Conrady公式
•     6.1.5 测量误差影响分析
•     6.1.6 拟合Conrady公式
•     6.1.7 其它公式对比
•     6.1.8 拟合波前对比
•   6.2离焦位置多波长波前检测实验
•     6.2.1 离焦位置多波长波前检测实验原理
•     6.2.2 实验装置改进
•     6.2.3 双胶合镜头测量结果及分析
•   6.3 本章小结
• 第七章 多波长参数检测的其它应用
•   7.1 基于离散点多波长波前检测
•     7.1.1 检测原理
•     7.1.2 实验结果
•   7.2 可变波长标准球面镜头设计
•   7.3 多波长焦距测量方案
•     7.3.1 检测原理
•     7.3.2 检测方案
•   7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
•   8.1 本文的主要研究内容
•   8.2 本文的创新点
•   8.3 后续展望
• 附录
•   附录 A 折射率公式
•   附录 B 单透镜离焦算法测量数据
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张齐元

导师: 韩森

关键词: 波前检测,激光干涉仪,波长,系数,公式,复消色差特性公式

来源: 长春理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,仪器仪表工业

单位: 长春理工大学

基金: 2013年国家重大科学仪器专项“相位调制干涉仪关键部件与仪器开发和应用”

分类号: O43;TH74

DOI: 10.26977/d.cnki.gccgc.2019.000010

总页数: 143

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