用非零位补偿法检测大口径非球面反射镜

研究了利用圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的方法,以实现非零位补偿法对大口径非球面的测量.分析和研究了该技术的基本原理,并基于齐次坐标变换和最小二乘拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型;分别开发了圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的算法软件;设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置,并分别利用圆形子孔径拼...     

环形子孔径测试的迭代拼接算法及其实验验证

为了满足测量高精度、大口径光学元件的需要,在子孔径拼接和定位算法的基础上研究了环形子孔径迭代拼接算法。该算法可通过精确找出重叠点对和寻找最优位形两个步骤来简化。而后研究了该算法在环形子孔径拼接测量中出现的新问题,即如何确定重叠点的问题,并详细介绍了该算法的步骤。最后对160mm口径的抛物面进行了拼接测量实验, 拼接结果的PV值为0.186λ,RMS值为0.019λ,与自准直全口径测量结果基本一致。结果表明环形子孔径的迭代拼接算法能够满足非球面镜的高精度测量。     

子孔径拼接干涉的快速调整及测量

考虑高精度子孔径拼接干涉测量技术对自动化拼接的要求,提出了一种子孔径零条纹自动快速调节方法。分析了干涉条纹数量对拼接误差的影响,分析显示:当子孔径干涉条纹数量少于5条时,干涉仪回程误差小于λ/50(PV值)。对子孔径拼接测量装置进行了结构优化,提出了拼接位移台角位移偏差自动补偿方法,实现了各个子孔径的零条纹测量,进而控制了子孔径拼接的累积误差。对450mm×60mm长条镜进行了子孔径拼接干涉测量,结果表明:自动测量结果与手动调整零条纹测量结果在面形分布上更为一致;但前者测量速度及测量效率都有所提高,测量时间平均减少5min。提出的方法不仅能完成干涉拼接测量装置的自动定位及自动快速调整,还提高了测量重复性与检测效率。     

采用立体视觉实现子孔径拼接测量的工件定位

为了实现大口径光学元件的子孔径拼接干涉测量,提出了采用立体视觉进行光学元件位姿测量的方法,建立了基于双目视觉的子孔径拼接测量系统。介绍了圆形子孔径拼接干涉测量的原理,基于齐次坐标变换分析了其对工件定位的要求;引入了立体视觉辅助测量系统,建立了通用测量模型,利用双目视觉获取不同子孔径测量时与工件刚性连接的特征点的三维全局坐标,在完成全部子孔径测量后利用四元数法求取各子孔径相对于全局坐标系的转换矩阵,然后利用优化拼接算法将各子孔径数据统一到全局坐标系下,完成大口径光学元件的全局测量。最后利用该系统实现了对口径为150mm平面和100mm球面的检测。实验结果证明,在本系统中,立体视觉系统平移定位精度优于0.1mm,转动测量精度优于0.01°,可为优化拼接算法提供一个有效的初始值,该方法能够快速给出各子孔径间的相对坐标变换且不产生误差累积方法简单且可靠。     

采用立体视觉的子孔径拼接测量工件定位

为了实现大口径光学元件的子孔径拼接干涉测量,提出了采用立体视觉进行光学元件位姿测量的方法,建立了基于双目视觉的子孔径拼接测量系统,对该系统的数学模型、测量原理以及基于四元数法的位姿变换矩阵求取方法进行了研究。首先,介绍了圆形子孔径拼接干涉测量的原理,并基于齐次坐标变换分析了其对工件定位的要求,接着引入了立体视觉辅助测量系统,建立了其通用测量模型,利用双目视觉获取不同子孔径测量时与工件刚性连接的特征点的三维全局坐标,在完成全部子孔径测量后利用四元数法求取各子孔径相对于全局坐标系的转换矩阵,然后利用优化拼接算法将各子孔径数据统一到全局坐标系下,完成大口径光学元件的全局测量。最后利用该系统实现了对口径为150mm平面和100mm球面的检测。实验结果证明,在本系统中,立体视觉系统平移定位精度优于0.1mm,转动测量精度优于0.01度,能够给优化拼接算法提供一个有效的初始值,且该方法能够快速给出各子孔径间的相对坐标变换且在其视场范围内不产生误差累积,方法简单实用,稳定可靠。     

基于环形子孔径拼接法检测非球面研究

介绍了基于点衍射干涉仪的环形子孔径拼接检测非球面的理论和方法,分析了其基本原理,相对传统非球面检测方法,这种方法可以有效避免高精度补偿器件的使用,它通过不同曲率半径的球面波前来匹配被测非球面的不同同心环带区域,然后通过拼接算法重构整个非球面表面。在对一非球面的仿真测试中,测量的PV值为λ／131,RMS值为λ／830（工作波长为632．8nm）,试验表明：该算法是切实可行的,具有较高的精度。     

环形子孔径拼接干涉检测非球面的数学模型和仿真研究

利用环形子孔径拼接干涉技术可以不需要补偿器、CGH等辅助元件就能够高分辨、低成本、高效地实现对大口径、大相对孔径非球面的检测.介绍了该技术的基本原理,并基于最小二乘法和Zernike多项式拟合建立了合理的数学模型,同时对其进行了计算机模拟实验,拼接前后全孔径相位分布残差的PV值和RMS值分别为0.0079λ和0.0027λ,说明该拼接模型和算法是准确可行的,从而提供了除零位补偿外又一种定量测试非球面尤其是大口径非球面的途径.     

平面子孔径拼接测量实验研究

通过椭圆形口径（长轴225mm,短轴161mm）SiC平面反射镜的全口径面形测量加工实验,验证了一种新的子孔径拼接测量算法—子孔径拼接迭代算法（SASL算法）的有效性。首先用100mm口径平面平晶的子孔径拼接测量与全口径测量的对比实验,确定了拼接测量相关参数及测量装置的精度指标。在此基础上设计了SiC平面反射镜的子孔径拼接实验,在搭建的拼接装置上实现了五次离子束迭代加工过程中和最终的全口径面形测量。这是国内首次将子孔径拼接测量方法用于指导加工实践,加工过程中的测量结果为面形误差修正提供了准确的数据,保证了最终全口径面形误差快速收敛到RMS 50nm。实验证明,SASL算法能大大放宽拼接装置对准运动的精度要求,并减少拼接过程对拼接结果的影响。     

子孔径拼接干涉法检测非球面

介绍了子孔径拼接干涉检测非球面的理论和方法,分析了其基本原理,基于齐次坐标变换、最小二乘法和Zernike多项式拟合建立了一种合理的拼接算法和数学模型。对一抛物面镜进行了五个子孔径的计算机模拟拼接实验,拼接前后全孔径面形误差分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为-0.009 2 λ和0.0013 λ;全口径相位分布的PV值和RMS值的相对误差分别为-0.39%和0.44%。实验结果表明,利用子孔径拼接技术不需要零位补偿就能实现对较大口径非球面的测量。     

像差修正拼接法测量非球面精度的评定

针对用子孔径干涉像差修正拼接法测量非球面的拼接精度问题,提出了一种基于t分布统计的拼接精度分析评定方法.根据测量原理及拼接模型特点,利用残差分析对模型进行回归诊断,使用因变量预测算法和t分布统计模型对拼接精度进行估计与分析.实验结果显示:按t分布评定拼接结果的扩展不确定度为0.362 3λ(0.229 μm),而常规的系统误差检验方法评定拼接结果的扩展不确定度为0.234 μm,两种方法结果基本一致,表明基于t分布统计的方法在保证评定结果准确度的前提下,克服了比较分析法的不确定性,解决了正态分布统计法中置信系数k不能反映子样标准差可靠性对置信概率的影响问题.     

大尺寸光学元件在位动态干涉拼接测量系统

为了满足车间条件下大口径光学元件的高精度在位、在线检测的迫切需求,本文构建了一个适于一般环境下应用的动态干涉拼接测量实验系统。该系统由动态干涉仪、二维移动平台、控制系统及拼接软件等部分构成。应用该系统对200mm×300mm×20mm的光学元件在一般应用环境下进行了拼接测量实验,采用误差均化拼接算法进行拼接,并对拼接后的结果进行分析处理,比较拼接测量与全口径测量结果,PV值的相对误差为3.1%,RMS值的相对误差为1.6%,Power值的相对误差为2.1%。该系统为在车间环境下建立大口径光学元件在位检测建立了基础。     

基于子孔径斜率离散采样的波前重构

由于现有评价与测试方法不能满足3~4m地基光电探测系统在不同仰角下对光学系统波前检测的需求,本文提出了基于子孔径斜率离散采样,再重构全口径波面轮廓的波像差测试方法。采用光学模拟与数学分析协同仿真的方法,研究了波面重构算法的不确定度以及扫描运动引起的子孔径倾斜误差、子孔径扫描位置误差、像点坐标测量误差与波前复原精度间的作用规律。仿真结果显示,迭代算法的相对误差ΔPV为0.002 8λ(λ=632.8nm),模式算法的相对误差ΔPV为0.002 7λ。当子孔径倾斜误差小于0.2″,波面重构误差ΔPV约为0.02λ。当子孔径采样位置精度优于0.2mm,其引入的波面重构误差小于0.04nm(PV);当子孔径像点坐标提取精度优于5μm,波面重构误差ΔPV约为0.03λ。研究结果表明,当考虑波面重构过程中的实际测量误差时,模式算法的误差容限较高,收敛性更好。此外,构建实际测试装置时,需引入角度监测与算法误差补偿机制,子孔径倾斜角度监测系统的测角精度需优于0.2″。     

Three-dimensional profile stitching measurement for large aspheric surface during grinding process with sub-micron accuracy

A novel measurement method is proposed to realize three-dimensional (3D) profile stitching for large aspheric surface. The proposed method is based on the multiple sub-regions stitching technology applying a four-axis fixture and a commercial small-range profiler. The partition of sub-regions is due to the effective profiler’s range and the characteristic parameters of aspheric surface, and the measurement for each sub-region within the profiler’s range is achieved through the fixture to translate and rotate the aspheric surface. Then a stitching algorithm including the multi-body theory, the invariability of curvature radiuses and the least square principle is established to reconstruct the full 3D profile. Simulations of multiple sub-regions stitching for different aspheric surfaces are performed to predict the stitching accuracy of proposed method and analyze the influence of alignment errors in Y direction caused by the rotation error along Z direction (Δβ_w,g). The stitching accuracy of proposed method is verified by measuring the 3D profile of an off-axis parabolic surface and an axisymmetric aspheric surface. The experimental standard deviations of stitching errors are 0.16 μm and 0.42 μm, which are less than the form errors of aspheric surface during grinding process. The results show that the proposed method achieves 3D profile stitching for large aspheric surface with sub-micron accuracy.     

误差均化的拼接技术

利用相关拼接技术实现光学波面检测,可以用较小的测量口径实现较大面积的测量,并保持高的测量精度、高的空间分辨率和系统的低成本.获得高精度的子孔径波面分布和有效的拼接方法是这一技术的关键.最简单的两两拼接的方法由于在拼接过程中存在误差积累,对全孔径拼接精度有很大的影响.采用误差均化的拼接方法,要求所有拼接区中相差值的平方和同时达到最小.从本质上看,这是一种并行算法.给出了在平面直角坐标系下误差均化拼接的数学模型和求解方法,进行了计算机仿真.结果证明该方法是切实有效的.     

免形状测量机的误差分离技术研究

免形状(Form-free)测量机是基于零件"小偏差假设",不依赖被测对象的几何形状、无须知道几何参数、无须精密定位的情况下,也能进行几何尺寸和形状误差的测量与评定的测量机。针对此测量机,建立了误差补偿综合模型,为测量机误差测量和补偿提供了理论基础。提出基于激光追踪仪的几何误差分离方法,快速准确实现对测量机几何误差的检定。使用软件对分离算法进行仿真及实验,结果证明该分离算法是可行的,并将其与激光干涉仪测得的误差比较,两者非常吻合,证明此算法具有快速、精度高等优点,适用于坐标测量机的几何精度检测。     

拼接干涉测量技术

利用相关拼接技术实现光学波面检测，可以用较小的测量口径实现较大面积的测量，并保持高的测量精度、高的空间分辨率和系统的低成本。获得高精度的子孔径波面分布和有效的拼接方法是这一技术的关键。简述了采用相移技术测量子孔径波面的关键技术。两个子孔径之间的拼接是比较容易的，但采用两两拼接的方法会有很大的误差累积。因此采用了具有误差均化作用的拼接方法，该方法本质上是一种并行的方法。文中简述了该拼接方法的数学模型和求解方法。最后给出了拼接的实测结果。