基于多波长干涉的高精度非球面形状测量及溯源关键技术研究

At present, the aspheric components have been widely used in various fields of high-end technology, but most aspheric surface measurement technologies have a conflict between precision and efficiency, they also have bad consistency and are not traceable. This project focus on a high precision aspheric surface measurement research based on multi-wavelength interferometry, The main contents are: (1) The research on the method of multi-wavelength generation and modulation based on discrete frequency stabilized laser and the acousto-optic modulation, including: the analysis of laser source characteristic influence, the exploration of the relationship between performance and wavelength modulation, the technology of multi-wavelength combination and separation. This research provides a theoretical basis to generate suitable synthetic wavelength for aspheric surface measurement. (2) The research on high precision aspheric surface measurement based on the combination of multi-wavelength interferometry and homodyne interferometry. including: multi-wavelength interferometry technique, homodyne interferometry technique, the method of measurement data combination. This research can solve the inherent conflict between measurement efficiency and precision. It can also realize the real-time measurement of aspheric surface shape while ensuring the measurement accuracy. This project will lay a foundation for real-time high precision aspheric surface measurement and traceability system.

目前，非球面元部件在各高端技术领域得到了广泛的应用，但是非球面测量技术普遍存在测量精度与测量效率无法兼顾、量值一致性差和无法溯源等问题。本项目主要对基于多波长干涉的高精度非球面测量技术进行研究，主要内容有：（1）基于分立稳频激光及外声光调制的多波长干涉测尺生成与调制技术研究，包括：激光光源特性影响分析，波长调制与测量性能之间关系的探索，多波长激光的合成分离技术等，为生成适于非球面测量的可调谐小尺度合成波长提供理论基础；（2）基于多波长与单频激光干涉结合的高精度非球面测量技术研究，包括：多波长干涉测量技术，单频激光干涉测量技术，测量数据处理及融合技术，解决现有非球面测量中测量精度与测量效率之间的固有矛盾，从而在保证测量精度的前提下实现非球面面形的快速实时测量；本项目的研究为实现快速高精度非球面测量与建立非球面标准测量装置及量值溯源体系奠定了基础。

本课题在对多波长激光干涉测量深入研究的基础上，重点分析了表面发射率因素的影响，研究反射率抑制补偿影响技术，同时研究高精度非球面干涉信号处理方法，本文的主要研究工作如下：提出了一种基于多波长干涉的面形测量方法，并对多波长干涉原理进行了详细分析，并对多波长干涉测量技术进行了误差分析，提出了多波长干涉面形测量的三大关键技术，包括多波长测尺生成技术、高精度干涉信号处理技术、表面质量对激光干涉测量系统的影响分析；同时对非球面测量中的多波长测尺生成技术进行了研究。研究非球面反射率对激光干涉测量的影响，建立了基于琼斯矩阵的干涉光学系统的系统模型，确定了基于激光干涉测量的面形测量技术方案；完成了激光干涉测量系统总体结构设计；分析了系统各光学器件参数对测量结果的影响，并其关键部分进行了优化；对激光干涉信号处理技术进行了研究，包括整数部分与小数部分的各自处理方法，并完成了相应的硬件电路设计与调试。在上述研究的基础上，本文设计并研制了基于激光干涉的非球面测量系统，完成了整体系统的初步集成，设计加工了相应的机械、光学器件，并完成了组装和调试；并在此基础上对各组成部分进行了实验验证与分析。测量结果与分析表明，本文设计的基于激光干涉的非球面测量系统在不同位置上的噪声水平可以达到1nm左右，测量分辨力可以达到0.5nm；在反射率1%~89%条件下，测量系统的噪声水平可以达到1nm左右，测量分辨力可以达到0.5nm。