基于超精密回轉(zhuǎn)掃描的大口徑非球面測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、隨著光學(xué)加工和檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，大口徑范圍深度非球面光學(xué)元件已成為天文光學(xué)、空間光學(xué)和地基空間目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、激光大氣傳輸、慣性約束聚變（ICF）等領(lǐng)域中起支撐作用的關(guān)鍵部件之一。制約大口徑非球面鏡加工水平的關(guān)鍵，則取決于與制造要求相適應(yīng)的檢測(cè)方法和儀器。對(duì)于傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量法，其致命缺陷是易于劃傷光學(xué)元件的表面；而非接觸式測(cè)量法中，全口徑干涉法和子孔徑拼接干涉法也因補(bǔ)償透鏡制作困難和拼接過(guò)程易產(chǎn)生誤差累積等因素的影響而無(wú)法滿(mǎn)足大口徑

2、范圍深度非球面鏡的加工需求，因此，開(kāi)發(fā)和研制一種高精度、非接觸式的大口徑非球面測(cè)量系統(tǒng)勢(shì)在必行。
　　課題“基于超精密回轉(zhuǎn)掃描的大口徑非球面測(cè)量技術(shù)研究”的目的是在基于f-θ透鏡系統(tǒng)的大型非球面測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)之上，探討研究一種高精度、非接觸式的近平面大口徑非球面三維輪廓回轉(zhuǎn)掃描測(cè)量技術(shù)，以二維位相板生成的衍射準(zhǔn)直光束為測(cè)量基準(zhǔn)光束，并以衍射光斑的暗線為位移基準(zhǔn)，用超精密直線氣浮導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)掃描光束的精確定位，大口徑非球面鏡的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由超

3、精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)。本課題為解決大口徑近平面非球面三維輪廓測(cè)量技術(shù)中的高精度和非接觸問(wèn)題開(kāi)拓了一種有效的技術(shù)途徑，并為研究真正意義上的大口徑范圍深度非球面測(cè)量技術(shù)提供了有力的理論依據(jù)和先期的準(zhǔn)備工作。本課題的研究，在大型同步輻射用非球面鏡、柱面鏡以及細(xì)長(zhǎng)型光學(xué)表面的三維輪廓測(cè)量中也有廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文首先從衍射型長(zhǎng)程輪廓儀(LTP)的工作機(jī)理入手，分析了基于衍射準(zhǔn)直技術(shù)的f-θ透鏡系統(tǒng)的基本特征，并結(jié)合測(cè)量裝置的實(shí)際結(jié)構(gòu)，分

4、析了影響系統(tǒng)斜度測(cè)量精度的各因素，為將衍射型 LTP進(jìn)一步拓展到大口徑非球面測(cè)量技術(shù)中奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
　　為實(shí)現(xiàn)大口徑非球面的三維輪廓檢測(cè)，提出了一種基于超精密回轉(zhuǎn)掃描的大口徑非球面測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)將超精密直線運(yùn)動(dòng)和超精密回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有機(jī)合成，以實(shí)現(xiàn)被測(cè)表面的回轉(zhuǎn)掃描測(cè)量，充分利用了回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)精度高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可大大減小由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)引入的斜度測(cè)量誤差。
　　針對(duì)三維輪廓測(cè)量要求，提出了一種二維斜度光學(xué)掃描頭結(jié)構(gòu)。該掃

5、描頭包含兩個(gè)可分別對(duì)徑向及切向斜度進(jìn)行測(cè)量的子掃描頭，并能夠?qū)y(cè)點(diǎn)處的二維斜度信息進(jìn)行同步采集，兩個(gè)子掃描頭中的誤差補(bǔ)償光路均能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償由激光束角漂引起的斜度測(cè)量誤差，進(jìn)而有效減小由激光束角漂引起的三維輪廓測(cè)量誤差。
　　結(jié)合基于超精密回轉(zhuǎn)掃描的大口徑非球面測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，以矩陣光學(xué)和向量形式的折、反射定律為理論基礎(chǔ)，分析了各誤差因素對(duì)二維斜度測(cè)量的影響機(jī)理，并進(jìn)一步對(duì)各誤差因素的權(quán)重進(jìn)行了比較，從而為系統(tǒng)研制過(guò)程中各

6、部件的加工和選型提供了可靠的理論依據(jù)。
　　為了減小衍射光斑的平滑過(guò)程引入的斜度測(cè)量誤差，研究了一種曲線窗口旋濾波方法，并將濾波效果與傳統(tǒng)濾波方法進(jìn)行了比較，分析結(jié)果表明：曲線窗口旋濾波方法在有效濾除圖像噪聲的同時(shí)，能夠較好地保持衍射光斑暗線區(qū)域的光強(qiáng)分布特征，進(jìn)而減小測(cè)量及參考光斑的亞像素定位誤差。同時(shí)，為了選擇高精度的數(shù)值重構(gòu)方法，提出了一種對(duì)不同數(shù)值方法在頻域內(nèi)進(jìn)行比較的評(píng)定方法，進(jìn)而為選擇重構(gòu)精度高、噪聲抑制能力強(qiáng)的數(shù)值方