高精度共光路微分剪切干涉仪的研究

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1、硕士学位论文高精度共光路微分剪切干涉仪的研究STUDYONHIGH-PRECISIONCOMMONPATHDIFFERENTIALSHEARINTERFEROMETER娄喜凤哈尔滨工业大学2014年12月国内图书分类号：TH741学校代码：10213国际图书分类号：621.38密级：公开工学硕士学位论文高精度共光路微分剪切干涉仪的研究硕士研究生：娄喜凤导师：姚勇教授申请学位：工学硕士学科：物理电子学所在单位：深圳研究生院答辩日期：2014年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH741U.D.C:621.38Dissertationfort

2、heMasterDegreeinEngineeringSTUDYONHIGH-PRECISIONCOMMONPATHDIFFERENTIALSHEARINTERFEROMETERCandidate：LouXifengSupervisor：Prof.YaoYongAcademicDegreeAppliedfor：MasterDegreeinEngineeringSpeciality：PhysicalElectronicsAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2014Degree-Conferrin

3、g-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要很多现代工业品造型具有复杂曲面，为了获得工艺品的表面形貌及其特性参数出现了表面形貌计量仪器。同时表面形貌计量仪器在现代模具制造业也有着极其广泛的应用。有一种表面微观形貌叫做表面粗糙度，它影响着机械的运动性能和使用寿命，因此也需要相应的仪器来计量。目前主流的表面粗糙度检测仪器有触针式轮廓仪，光学探针式轮廓仪和干涉显微镜等。这几种基于光学检测的表面形貌检测仪存在噪声大，测量精度低及易受环境影响等不足，为了改善上述的这些缺点，本实验室自主研发了共光路等光程的微分

4、移相干涉表面形貌测量仪。本文根据自适应原则中的纯光学方法，利用单轴晶体的双折射特性，设计了参考光路和测量光路等光程共光路的干涉系统。该干涉系统消除了照明光源波长、光源不稳定性以及空气折射率的变化等因素对干涉测量结果的影响。由于采用弱信号检测技术能够提高测量分辨率，因此本文中的测量仪光源采用弱相干光源LED。弱信号检测技术消除了白噪声对测量结果的影响进而提高了系统的测量精度。本文利用ZEMAX光学设计软件仿真了干涉系统各部分的物理光学传播特性，并分析了系统的能量分布。根据弱相干光源的空间相干性和时间相干性，光源的尺寸越小，光波的空间相干性越好。本文通过调整空间滤波器通光孔

5、径的最大半径值找到了适合本系统的空间滤波器尺寸，并且得到了质量较好的干涉图样。本文在ZEMAX中建立了微分移相干涉表面形貌测量仪的通用模型，并对标准球面进行了检测仿真。仿真结果显示得到的标准球面的波前干涉图样与实际干涉图样相符。通过对比仿真与实验结果，结果表明本文基于ZEMAX建立的微分剪切干涉仪模型能够对实验中搭建的共光路等光程的双光束干涉仪系统进行准确的模拟仿真。之后本文基于ZEMAX干涉仪模型对可能影响干涉仪性能的各种因素进行了系统的仿真研究与分析。为了进一步验证系统的可靠性，本文对多种标准样品进行了表面形貌测试，通过对比实验测量数据计算得到的表面粗糙度与标准粗糙

6、度之间的吻合度，结果显示本系统得到的表面粗糙度接近真实值从而验证了系统可靠性。此外本文还对检测系统的水平分辨率、垂直分辨率和表面高度测量范围等性能参数进行了分析。讨论了系统可能存在的误差，分析引起误差的主要因素及误差对系统测量的影响。关键词：微分剪切；表面粗糙度；光学设计；空间滤波；移相器--I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractManyofthemodernindustrialproductshavecomplicatedsurfaces,thusitisnecessarytoobtainthesurfacetopographyandthecharacter

7、isticparametersoftheobjects.Thesurfacetopographymeasuringinstrumentisappliedtodetectthesurfaceprofilesoftheobjectsandiswidelyusedinthemoldmanufacturing.Oneofthemostimportantsurfacetopographyisthesurfaceroughnessthataffectstheperformanceandthelifeofthemechanicaldevices.The