平面光学元件表面面形参数测量评价研究

摘要

光学元件表面质量的精确评价是光学应用领域中重要的问题之一。表面质量包括面形、波纹度及粗糙度。目前，测量面形和波纹度常用的仪器是以高精度的干涉仪为主，测粗糙度通常使用轮廓仪。通过测量可以快速地获得表面参数进而实现评价。不同厂家的仪器给出的评价参数不同，如何建立不同仪器测量结果的关联性，从而实现各仪器测量结果的相互转换成为重要的问题。在测量过程中，评价参数不同、仪器选用不同，会导致评价结果不统一。
　　本文围绕平面光学元件的表面质量评价开展了相应的研究工作，论述了表面质量评价的研究现状，分析了表面质量评价的基本参数，对面形评价参数的稳定性及关联性展开研究，对轮廓仪测量结果的一致性进行分析。首先，给出了平面光学元件表面质量评价中峰谷值、均方根值、功率谱密度和粗糙度的定义及评价准则。其次，针对高精度光学元件表面质量评价中峰谷值的偶然性和不确定性，利用仿真和实验研究对不同波面的PV、PVm、PV20,PVq和PVr进行了重复性和稳定性分析，实验结果表明:PVq和PVr的稳定性优于PV、PVm和PV20。接着，通过分析单项像差、多项像差综合波面和实际测量波面中峰谷值和均方根值之间的关系，发现对于单项像差或多项像差综合的波面，使用单一的PV值或RMS值即可评价;对于实际测量的波面，需要PV和RMS参数综合评价。最后，使用Form Talysurf PGI Optics接触式轮廓仪和NewViewTM8000Series3D光学表面轮廓仪对不同微观形貌的样件进行测量，分析了采样点数、测量范围及基准线的选择对结果的影响;通过设定取样长度，计算高斯滤波中线、最小二乘中线、最小二乘曲线，对不同评定基准下的粗糙度值进行计算，当评定长度等于五段的取样长度时，三种评定基准下的粗糙度值与轮廓仪测量结果偏差较小，其中，最小二乘中线下的评定结果最接近轮廓仪的测量结果。采用方差分析法对仪器的重复性和再现性进行评定，NewViewTM8000Series3D光学表面轮廓仪的％GRR等于25.65％，依据评判标准，可知该仪器可以正常使用。
　　通过仿真和实验研究，对评价参数的稳定性和关联性、轮廓仪的一致性进行分析，为光学元件表面质量的评价提供了参考，具有重要的意义。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究目的及意义

1．2 表面质量测量仪器的发展现状

1．2．1 激光干涉仪的发展现状

1．2．2 轮廓仪的发展现状

1．3 表面质量评价参数的发展现状

1．4 本课题的主要研究内容

1．5 论文章节安排

2 表面质量评价的主要参数

2．1 低频评价参数

2．1．1 峰谷值及优化

2．1．2 均方根值

2．2 中频评价参数

2．2．1 功率谱密度的定义

2．2．2 功率谱密度的计算

2．2．3 功率谱密度测量结果的评价

2．3 高频评价参数

2．3．1 评定基准线的计算方法

2．3．2 取样长度和评定长度

2．3．3 表面粗糙度的二维评定参数

2．4 本章小结

3 表面面形参数的稳定性评价

3．1．1 Zernike系数的计算及波面拟合

3．1．2 Zernike多项式项数的选取

3．2 波面的获取

3．2．1 模拟波面

3．2．2 实际波面

3．3 不同波面分析

3．3．1 模拟波面分析

3．3．2 添加毛刺点的波面对比分析

3．3．3 噪声等级变化分析

3．4 不同评价方式的重复性比较

3．5 分析界面设计

3．6 本章小结

4 表面面形参数的关联性分析

4．1 Zernike多项式与像差的关系

4．2 理想波面分析

4．2．1 单项像差波面分析

4．2．2 多项像差波面分析

4．3 一般波面分析

4．3．1 多次测量同一样件

4．3．2 多个样件单次测量

4．4 本章小结

5 轮廓仪测量结果的一致性分析

5．1 表面粗糙度测量仪器分析

5．1．1 仪器的测量原理

5．1．2 仪器的误差分析

5．2 表面粗糙度的测量实验及评价结果分析

5．2．1 实验样件的加工

5．2．2 不同仪器测量结果分析

5．2．3 测量结果的功率谱密度分析

5．2．4 采样点数及测量范围对结果的影响

5．2．5 基准线的选取对评价结果的影响

5．3 测量系统的重复性和再现性分析

5．3．1 测量系统的数学模型

5．3．2 测量系统的分析方法

5．3．3 轮廓仪系统的重复性和再现性分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 课题研究不足及展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

声明

附录