光学非球面坐标测量关键技术研究

论文摘要

非球面光学零件具有校正像差、改善像质、扩大视场和增大作用距离的优点,同时还能够减轻系统重量、减小占用空间,因此在现代光学系统中得到了广泛应用。随着光学系统性能要求的不断提高,对非球面光学零件口径、相对口径、加工精度、轻量化程度、加工效率和生产成本等方面都提出了更高要求。坐标测量技术作为光学非球面研磨与抛光前期阶段面形误差的主要检测手段,是决定非球面加工效率的关键因素。目前,坐标测量技术在解决大口径、大相对口径和高陡度非球面镜的检测方面仍有一些问题需要解决,例如测量精度与效率较低、镜面的高陡度特征给测量带来一定困难等,这些问题的存在严重影响了光学非球面的加工精度和效率。本论文研究工作的主要任务就是要有效解决坐标测量技术目前存在的问题,使坐标测量技术得以完善,提高我国非球面光学零件的加工检测能力。论文的研究工作包括以下几个部分：1.针对大口径非球面的检测问题,研究了直角坐标测量方法的基本原理、精度分析与建模。系统分析了直角坐标测量系统的关键部件——长气浮导轨6自由度误差对测量结果的影响模型,并据此开发了高精度测量实验系统。针对其中长气浮导轨直线度误差的高精度测量问题,建立了使用短基准的高精度测量方法,分析研究了测量过程中测量误差、采样频率、重叠区域长度等因素对测量精度的影响规律,实现了导轨直线度误差的高精度测量与校正。最后对口径500mm、相对口径1：3的抛物面镜进行了测量实验。2.针对大口径、大相对口径非球面镜的检测问题,分析仿真了摆臂式测量方法的基本测量原理。建立了测量臂的挠性变形、回转轴系的跳动误差等因素对测量精度的影响模型,并开发了摆臂式测量实验系统。通过对测量原理的深入研究,利用被测非球面名义面形与测量数据建立了测量参考球面半径优化算法,在获得非球面面形误差的同时以较高精度得到了被测非球面顶点曲率半径的最优估计值。最后对口径500mm、相对口径1：1的深型镜面进行了测量实验。3.针对高陡度非球面的检测问题,提出了基于多段拼接的高陡度光学非球面坐标测量方法。建立了基于多段拼接的高陡度光学非球面坐标测量方法的数学模型。分析仿真了重叠区域二次采样点匹配误差对测量结果的影响规律。针对重叠区域二次采样点匹配误差对测量精度具有较大影响的问题,提出了基于向量空间压缩映射原理的迭代收敛算法。分析研究了工件面形轮廓的自动划分方法并在Matlab下对测量算法进行了仿真。通过对现有测量系统的改进,建立了高精度的测量实验系统,并对口径120mm,长径比1.2的加工样件进行了测量实验。4.分析建立了测量系统与被测工件之间相对位姿误差的数学模型,并在Matlab下进行了仿真分析。利用模型参数估计的方法,建立了截线测量位姿误差的优化分离算法,消除了测量过程中位姿误差等因素的影响,提高了测量结果的精度。在此基础上,建立了以截线测量结果为基础,综合截线位姿误差优化参数以及各截线相互平移量为参数的三维面形优化方法,得到了合理的三维面形误差分布结果,为CCOS的局部修形提供了可靠的测量数据。5.分析研究了直角坐标测量和高陡度非球面测量过程中测量力对接触式测头测量不确定度的影响模型；分析研究了摆臂式测量过程中扫描速度对测量不确定度的影响；对实际测量过程中的温度、振动等环境误差因素对测量不确定度的影响进行了分析实测。在综合上述分析结果的基础上,对测量结果的合成标准不确定度进行了估算。最后,作为一个应用实例,介绍了与实验室自行研制的加工机床AOCMT合作完成的0500mm,f/3,K9玻璃抛物面镜的加工过程,在233小时内成功加工出抛物面反射镜,加工后的面形精度达到9.4nm RMS (λ/67 RMS,λ2=632.8nm ),表面粗糙度为1.5nm RMS,顶点曲率半径偏差控制在1.2mm(0.4‰),其结果符合预期要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题研究的背景
• 1.1.3 课题研究的意义
• 1.2 光学非球面坐标测量国内外研究现状与发展趋势
• 1.2.1 大型非球面坐标测量的研究现状与发展趋势
• 1.2.2 高陡度非球面坐标测量的研究现状与发展趋势
• 1.2.3 光学非球面坐标测量的发展趋势分析
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 大口径光学非球面直角坐标测量技术研究
• 2.1 大口径光学非球面直角坐标测量的基本原理
• 2.2 大口径光学非球面直角坐标测量系统软硬件结构的设计
• 2.2.1 系统基本设计要求
• 2.2.2 系统硬件结构设计
• 2.2.3 系统软件的设计
• 2.3 大口径光学非球面直角坐标测量系统的精度建模与仿真
• 2.3.1 导轨运动误差分析与建模
• 2.3.2 精度分析与误差匹配
• 2.4 高精度长气浮导轨直线度误差测量方法
• 2.4.1 测量原理
• 2.4.2 基于最小二乘的测量数学模型
• 2.4.3 相对机械运动误差影响分析
• 2.4.4 二次采样点匹配误差的影响分析
• 2.5 直线度误差测量算法仿真与非球面镜测量实验
• 2.5.1 基本测量算法仿真
• 2.5.2 重叠区域长度的选择规律仿真分析
• 2.5.3 高精度气浮导轨直线度误差的测量
• 2.5.4 大口径非球面镜的检测实验
• 2.6 本章小结
• 第三章 大相对口径光学非球面摆臂式测量技术研究
• 3.1 摆臂式测量原理分析
• 3.1.1 基本测量原理
• 3.1.2 测量原理仿真
• 3.2 摆臂式测量系统结构设计
• 3.2.1 测量系统的软硬件结构
• 3.2.2 测量调整过程
• 3.3 摆臂式测量系统精度分析与建模
• 3.3.1 测量臂挠性变形误差分析与建模
• 3.3.2 测头半径的影响分析
• 3.3.3 回转轴的轴向窜动与径向跳动影响分析
• 3.4 摆臂式轮廓法测量非球面顶点曲率半径优化算法研究
• 3.4.1 顶点曲率半径测量的意义
• 3.4.2 摆臂式测量顶点曲率半径存在的问题
• 3.4.3 顶点曲率半径优化测量原理
• 3.5 摆臂式测量算法仿真与测量实验
• 3.5.1 测量算法仿真分析
• 3.5.2 Φ200mm抛物面镜的测量实验
• 3.5.3 Φ500mm深型镜面的测量实验
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于多段拼接的高陡度非球面坐标测量理论与算法
• 4.1 基于多段拼接的高陡度非球面坐标测量原理与数学模型
• 4.1.1 基本测量原理
• 4.1.2 测量数学模型
• 4.2 基于向量空间压缩映射原理的坐标测量迭代算法研究
• 4.2.1 次采样点匹配误差影响分析与仿真
• 4.2.2 迭代算法的基本原理
• 4.2.3 迭代步骤
• 4.3 分段轮廓的划分与测量算法仿真
• 4.3.1 分段轮廓的划分
• 4.3.2 测量算法仿真分析
• 4.4 高陡度光学非球面坐标测量实验
• 4.4.1 测量系统的建立与测量流程
• 4.4.2 口径120mm,长径比1.2高陡度保形镜面测量实验
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于多截线测量的光学非球面面形误差分析与评定
• 5.1 坐标测量中位姿误差的建模与仿真
• 5.1.1 位姿误差的分析与建模
• 5.1.2 位姿误差的仿真分析
• 5.2 基于模型参数估计的单截线误差分离与三维误差重构方法研究
• 5.2.1 基于模型参数估计的单截线误差分离算法
• 5.2.2 基于截线测量的三维面形误差重构
• 5.3 截线误差分离与三维面形误差重构测量实验
• 5.3.1 单截线测量位姿误差分离测量仿真与实验
• 5.3.2 三维面形误差分布重构仿真分析与测量实验
• 5.4 本章小结
• 第六章 光学非球面坐标测量不确定度分析与测量实验
• 6.1 非球面测量中测量力对接触式传感器测量精度的影响分析
• 6.1.1 接触式测头的简化模型
• 6.1.2 测杆的倾斜与滑动对测量不确定度的影响模型
• 6.1.3 测杆的弯曲变形对测量不确定度的影响模型
• 6.1.4 测量力对测量不确定度的影响仿真分析与计算
• 6.2 摆臂式测量中高精度扫描测头特性分析及对测量精度的影响
• 6.2.1 接触式扫描测头的结构模型
• 6.2.2 接触式扫描测头扫描速度对测量精度的影响
• 6.3 坐标测量环境误差因素分析与合成标准不确定度计算
• 6.3.1 直角坐标测量环境误差因素分析与合成标准不确定度计算
• 6.3.2 摆臂式测量环境误差因素分析与合成标准不确定度计算
• 6.3.3 高陡度非球面检测不确定度因素分析
• 6.4 加工检测实例——Φ500mm非球面镜的加工与检测
• 6.4.1 Φ500mm抛物面镜的研磨加工
• 6.4.2 Φ500mm抛物面镜的抛光
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 1 发表的论文