非球面子孔径拼接干涉测量的几何方法研究

论文摘要

非球面光学零件具有矫正像差、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越来越广泛的应用。随着装备性能要求的不断增长,高能激光武器、激光核聚变和空间望远镜等武器装备光学系统对大型光学零件的需求激增,其技术要求上较传统光学零件也有很大提升,突出体现在对大口径、大相对口径光学零件的中高频误差提出了严格要求。全口径、全波段（有效口径内波前的各种空间频率成分）面形误差的检测成为大型光学零件检测的主要目标。这个问题目前并没有得到有效解决,子孔径测试技术是最有希望的解决方案。本论文研究工作的主要任务就是要有效解决非球面子孔径拼接测量的关键问题。与传统的子孔径拼接算法不同,论文从几何学观点出发,结合工件定位、公差评定以及图像多视拼合理论中的一些方法,充分利用计算机软件处理技术,对这些关键问题展开研究。论文的研究工作包括以下几个部分:1.系统地研究了对称特征和多特征的位形空间理论,为形位公差和子孔径拼接问题提供了一个比较严格的数学背景。在此基础上按照美国标准ASME Y14.5.1M-1994的形式给出了形位公差的数学模型和评定算法,并且提出了改进算法性能的几个措施。与其他常用算法的性能比较和数值仿真验证了算法的有效性和优越性。2.从几何学观点出发,对子孔径拼接问题进行数学建模,将问题分解为重叠计算子问题和测试几何参数优化子问题,它实际上可以看作是广义的工件定位或图像多视拼合问题。提出基于交替优化和序列线性化的迭代优化算法,结合处理海量数据的稀疏矩阵技术、顺序QR分解方法以及代码向量化等编程技巧,可以快速有效地求解非球面子孔径拼接问题。由于算法利用了被测曲面的设计模型简化重叠计算子问题,随之全口径也要相对于名义表面最佳定位,因此算法是子孔径拼接与工件定位的结合。算法的主要优点是对相当大的测试几何参数（包括位形参数）的不确定性不敏感,因此就不再需要精确已知调零与对准运动量,以及参考球面半径等几何参数。通过大口径抛物面镜的子孔径拼接仿真,验证了算法的有效性。进一步提出利用标记点作为辅助手段,进行对称自由度的位形参数优化,从而实现全部6个自由度的运动不确定性补偿。采用平面干涉仪进行测量的子孔径拼接问题,由于测量数据以参考平面为基准,因此比采用球面干涉仪的子孔径拼接问题更简单,或者可以看作是后者的一个特例。3.子孔径划分是指确定子孔径的布局。由于曲率连续变化,非球面特别是离轴非球面的子孔径划分是一件精细而又复杂的工作。以凹抛物面为例,讨论了确定子孔径布局和计算子孔径最佳拟合球的方法,通过最小化用曲面积分表示的均方非球面偏差,确定最佳拟合球。随后给出了数值实例对提出的方法进行阐明和有效性验证。根据自由度分析确定了子孔径拼接干涉仪原型样机的设计方案,根据子孔径拼接算法对运动不确定性的鲁棒性,以及子孔径干涉图对运动误差的灵敏性分析,确定了对准与调零运动的分辨率、精度和行程等指标。4.分析了子孔径拼接测量的主要误差因素,结合子孔径拼接算法原理,讨论了测量不确定度的传递关系。在一定的假设下,得到了单点相位测量误差不确定度到单点绝对相位法向误差的不确定度传递的解析式。5.以平面镜和抛物面镜为例,划分子孔径后进行子孔径拼接干涉测量实验,并应用子孔径拼接算法获得全口径面形,与全口径测试得到的面形进行比较,对子孔径拼接测量的有效性进行实验验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的背景与意义
• 1.2 国内外现状
• 1.2.1 工件定位与多视拼合文献综述
• 1.2.2 公差评定文献综述
• 1.2.3 子孔径拼接测量方法综述
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 数学基础
• 2.1 多特征的位形空间理论
• 2.1.1 微分流形、李群和李代数
• 2.1.2 对称特征的位形空间
• 2.1.3 多特征的位形空间
• 2.2 非线性优化问题的交替优化和序列线性化方法
• 2.2.1 交替优化方法
• 2.2.2 序列线性化方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 形位公差的几何方法
• 3.1 形位公差的数学模型
• 3.1.1 形状公差
• 3.1.2 基准的建立
• 3.1.3 位置公差
• 3.2 形位公差的评定算法
• 3.2.1 基本算法
• 3.2.2 算法性能改进
• 3.3 算法仿真和应用
• 3.3.1 与其他算法性能的比较
• 3.3.2 算法对初始条件的鲁棒性
• 3.3.3 算法在非球面光学零件加工中的应用
• 3.4 本章小结
• 第四章 子孔径拼接算法
• 4.1 非球面子孔径拼接问题的数学模型
• 4.1.1 非球面子孔径拼接问题
• 4.1.2 重叠计算子问题
• 4.1.3 几何参数优化子问题
• 4.2 非球面的子孔径拼接算法
• 4.3 特例：平面子孔径拼接
• 4.4 算法的仿真验证
• 4.5 利用标记点的子孔径拼接算法
• 4.6 本章小结
• 第五章 子孔径拼接干涉测量方法
• 5.1 非球面的子孔径划分
• 5.1.1 子孔径的粗略划分
• 5.1.2 计算子孔径的最佳拟合球
• 5.1.3 仿真验证
• 5.2 子孔径拼接干涉仪设计
• 5.2.1 子孔径拼接干涉仪的机械构型设计
• 5.2.2 子孔径拼接干涉仪的指标要求
• 5.3 本章小结
• 第六章 子孔径拼接干涉测量的误差分析与不确定度传递
• 6.1 子孔径拼接干涉测量的误差因素分析
• 6.2 子孔径拼接算法的不确定度传递
• 6.3 本章小结
• 第七章 子孔径拼接干涉测量实验
• 7.1 平面子孔径拼接的测量实验
• 7.2 口径100mm的抛物面子孔径拼接的测量实验
• 7.3 口径210mm的抛物面子孔径拼接的测量实验
• 7.4 抛物面子孔径拼接实验的不确定度传递
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 8.2.1 子孔径拼接干涉测量方法的遗留问题
• 8.2.2 自由曲面光学零件的精密测量方法探讨
• 致谢
• 作者在学期间取得的学术成果
• 参考文献表
• 附录
• 附录A：公差的测量数据
• 附录B：线性化几何参数优化子问题的推导
• 附录C：线性化位形优化子问题的分块顺序QR分解程序
• 附录D：平面SAS问题的线性化几何参数优化子问题的推导
• 附录E：考虑β参数不确定性的SAS问题的线性化几何参数优化子问题的推导
• 附录F：相位差测量误差导致的线性化几何参数优化子问题的推导