磨削阶段大口径非球面光学元件拼接测量技术研究

摘要

大口径非球面光学元件能校准像差，提高像质，减小光学系统的体积和重量，并增加光学系统的可靠性，因此其被广泛应用于航空航天、国防等先端科研技术领域。磨削阶段大口径非球面元件的面形检测是制约其推广应用的重要因素。坐标测量技术是实现磨削阶段光学元件面形检测的重要手段，但是该技术在解决大口径、高陡度非球面元件的高精度测量上仍存在一系列技术问题需要解决，比如自主开发的轮廓仪因成本高昂大多难以推广，轮廓仪测头传感器有效测量行程不足，待测工件的大尺寸相比轮廓仪运动量程受限，多段拼接方法测量效率与精度不足且无法实现对非球面三维面形的测量等。针对上述问题，本文对基于商用式小量程高精度轮廓仪的磨削阶段大口径非球面光学元件拼接测量技术进行了研究。论文的研究工作包括以下几部分。
　　(1)提出轮廓线多段拼接测量前的分段方法，并确定了分段方法中的参数。提出多段拼接算法，并仿真分析算法中运动误差对拼接精度的影响。搭建三轴拼接辅助平台，并用Talysurf PGI1240轮廓仪对长条状非球面工件上两条不同轮廓线进行三段拼接的验证实验。实验结果表明，两条轮廓线的全口径拼接误差标准偏差值分别为0.16μm与0.14μm。
　　(2)将轮廓线拼接测量拓展至非球面三维面形拼接，提出基于四轴运动平台的子区域拼接测量方法，建立了相应的子区域拼接算法，并仿真分析绕Z轴旋转误差对三维面形拼接精度的影响。在三轴拼接辅助平台上增设绕Z轴旋转平台，并分别对离轴抛物面工件和轴对称非球面工件进行三维面形拼接测量的实验验证。实验结果表明，两块非球面工件的全口径拼接误差标准偏差值分别为0.21μm与0.42μm。
　　(3)本文开发了非球面拼接测量软件系统，包括轮廓线拼接测量模块与三维轮廓拼接测量模块，便于测量数据处理。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 光学非球面坐标测量技术的研究现状及分析

1．2．1 曲率测量法

1．2．2 斜率测量法

1．2．3 高差测量法

1．3 主要研究内容

第二章 基于多段拼接的非球面轮廓线测量

2．1 非球面轮廓线拼接测量原理

2．1．1 非球面轮廓线拼接测量的基本原理

2．1．2 非球面轮廓线拼接测量的分段方法

2．2 非球面轮廓线拼接算法

2．2．1 多段拼接数学模型的建立及拼接基准的选择

2．2．2 相邻段重叠区域数据对齐方法

2．2．3 运动误差的计算求解

2．2．4 轮廓线多段拼接的累积误差

2．3 非球面轮廓线拼接的仿真分析

2．3．1 运动误差对拼接精度影响的仿真分析

2．3．2 重叠区域长度ri,i+1与传感器使用量程凰的选择

2．3．3 不同轮廓线拼接的精度预测

2．4 非球面轮廓线拼接的实验验证

2．4．1 Talysurf PGI 1240轮廓仪

2．4．2 三轴拼接辅助平台开发

2．4．3 长条状非球面工件轮廓线拼接的精度验证实验

2．5 本章小结

第三章 基于子区域拼接的非球面三维轮廓测量

3．1 子区域拼接测量原理

3．1．1 子区域拼接测量的基本原理

3．1．2 基于四轴运动平台的子区域拼接测量

3．2 子区域拼接算法

3．2．1 子区域拼接数学模型

3．2．2 校准相邻子区域重叠数据的对齐误差

3．2．3 基于最小二乘原理的运动误差计算

3．3 子区域拼接的仿真分析

3．3．1 基于子区域拼接的精度预测

3．3．2 绕Z轴旋转的角度误差对拼接精度的影响

3．4 子区域拼接的实验验证

3．4．1 四轴辅助平台开发

3．4．2 基于四个子区域拼接的离轴抛物面工件验证实验

3．4．3 基于六个子区域拼接的轴对称非球面工件验证实验

3．5 本章小结

第四章 非球面拼接测量软件系统

4．1 轮廓线拼接测量模块

4．1．1 数据读取模块

4．1．2 数据拼接模块

4．1．3 结果评价模块

4．2 三维轮廓拼接测量模块

4．2．1 数据读取模块

4．2．2 数据拼接模块

4．2．3 结果评价模块

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间科研成果