大型非球面检测方法及数据处理研究

摘要

大口径非球面光学器件加工和检测都具有很大的难度，尤其是大口径非球面检测这一薄弱环节，已经成为制约其应用和发展的“瓶颈”因素之一。
　　 对于精磨阶段的“粗糙表面”，其面形加工精度为μm级，超出了干涉仪的垂直测量范围，且测量时通常只需考虑低频的面形误差，因而面形轮廓法是该阶段最适用的测量方法。在面形轮廓法中，工作台材料与结构、进给方案、驱动方式等问题是影响测量精度的关键因素。针对上述问题，研究了大尺寸光学器件的精密检测平台。采用性能稳定的大理石作为主要结构材料，搭建成固定桥式结构；采用平板直线电机作为驱动机构；设计了接触式和非接触式检测系统。分析了检测平台的机构误差、单项几何误差等几种误差对检测结果的影响，并通过实际测量评定，获取可靠的补偿数据，为后期的数据补偿提供依据。
　　 对于抛光阶段的大口径光学器件，检测标准有很大提升，突出体现为全口径、全波段面形误差的检测。此时，全口径与高分辨率这一矛盾成为干涉测量的主要矛盾，目前解决这一矛盾最有效的方法是子孔径拼接干涉法，拼接算法是其中的关键的问题之一。针对这一问题，进行了散乱点云的三维拼接研究。重点研究了采样错移情形下对应点的快速鲁棒搜索方法，完成了一套有效的搜索算法，提高了拼接效率，为拼接方法的实用化做出相关的理论铺垫。将三维点集进行平面映射，以最小凸包法求解点集的离散边界，通过拓扑几何连通图原理判断点是否落于离散边界内的方法完成有效点集粗选；采用空间分块策略求解点的K-邻近，进而求解离散曲面的法矢量和切平面；选取点到切平面的距离作为误差测度，以统计方法进行错误匹配剔除；采用序列屏拼接结合整体拼接的策略，采用对偶四元数直接求解坐标系位姿态关系。最后，由软件分别模拟生成轴对称和非轴对称非球面，人为划分四个子区域，进行了拼接算法的仿真试验，验证了所述方法的有效性。