非接触坐标测量技术及典型光学元件测量实验研究

摘要

包括平面、球面、非球面与自由曲面在内的光学元件为现代工业和科学提供了强大动力。从日常生活中的眼镜、相机、投影仪到半导体产业的顶层设备光刻机、生产清洁能源的核聚变反应装置乃至用以探索宇宙的太空望远镜，光学元件的应用无处不在。光学元件高精度、大口径与轻量化的新要求不断向光学元件制造产业提出新的挑战。现代光学元件制造产业对于精度与效率的追求向精密测量技术提出了高精度、非接触、大范围、高效率与通用性好的新要求。 光学元件非接触式坐标测量技术作为坐标测量技术的新形式，综合了非接触式测量的高效率、高精度、无损伤与坐标测量技术的通用性，在现代光学元件铣磨阶段与研磨阶段的测量中展现出巨大潜力。本课题针对非接触式坐标扫描测量技术的轨迹规划、探头对心等共性需求，在现有的坐标测量硬件基础上开发了专用测控软件，针对圆柱坐标扫描测量中普遍存在的对心问题开发了对心技术，评估了系统的测量不确定度，并对表面疵病检测技术开展了研究。具体内容包括: 1.介绍了光学元件的应用、加工、面形种类与评价指标，对比了干涉测量、探针式扫描测量与坐标测量的特点，分析了非接触式坐标测量的国内外发展概况，并提出了论文的研究意义与研究内容。 2.开发了非接触式坐标测量系统测控软件，实现了栅格扫描、同心圆扫描与螺旋扫描三种扫描方式。实现了四路光栅信号与两路传感器模拟信号的同步采集，采集速度可达4万组数据/秒。在此基础上测量了口径Φ110 mm的双曲面镜。 3.设计了基于回转扫描幅值的迭代对心技术，实现了10 min内优于5μm的探头对心。通过实验验证了对心原理，并对比了对心前后的形貌测量效果。 4.评估了测量系统测量不确定度。计算了探头离心误差与数据采集误差，测量了运动系统几何误差与探头漂移。计算求得综合不确定度为9.18μm。 5.提出了基于K近邻点云滤波的表面疵病提取技术，并在抬头显示器反射镜上开展了验证实验，初步实现了面形与表面疵病的同步测量。 6.总结了论文研究工作，对非接触式坐标测量技术的后续研究进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1研究背景

1．1．1光学元件的应用与加工

1．1．2光学元件的面形特征与评价指标

1．1．3光学元件的测量需求

1．2光学元件面形测量技术的对比

1．2．1干涉测量技术

1．2．2接触式探针测量技术

1．2．3坐标测量技术

1．2．4三种测量技术的对比

1．3非接触式坐标扫描测量技术发展现状

1．4论文的研究意义及研究内容

1．4．1研究意义

1．4．2研究内容

2非接触式坐标测量系统硬件结构与软件设计

2．1非接触式坐标测量系统硬件结构

2．1．1总体硬件结构

2．1．2光谱共焦传感器

2．1．3运动控制系统

2．1．4基于音圈电机的自聚焦测量系统

2．1．5数据采集系统

2．2非接触式坐标测量系统测控软件开发

2．2．1测控软件的功能需求

2．2．2测控软件开发环境介绍

2．2．3基于Qt 5．6与C++的多线程测控软件

2．3本章小结

3基于优化旋转扫描测量幅值的对心方法

3．1圆柱坐标扫描测量中的对心需求

3．2基于优化扫描幅值的旋转扫描对心技术

3．2．1旋转扫描对心原理

3．2．2旋转扫描对心流程

3．3旋转扫描对心实验

3．3．1同心圆扫描测量中的对心实验

3．3．2对心残余误差分析

3．4本章小结

4非接触式坐标测量系统测量不确定度评估

4．1测量不确定度的定义与评估方法

4．1．1测量不确定度的定义

4．1．2测量不确定度的评估方法

4．2工件对心误差引入的不确定度

4．2．1对心误差引起的扫描轨迹偏移

4．2．2对心误差引入的不确定度

4．3运动系统几何误差引入的不确定度

4．3．1工件与探头在空间中的相对自由度

4．3．2 X轴与Y轴的位置误差

4．3．3直线轴的直线度误差与平行度误差

4．3．4转台的轴向窜动误差与径向跳动误差

4．3．5几何误差引入的综合不确定度

4．4其他误差引入的不确定度

4．4．1探头漂移引入的不确定度

4．4．2数据采集误差引入的不确定度

4．6本章小结

5基于K近邻点云滤波的表面疵病提取技术

5．1基于归一化局部反射率的疵病测量技术

5．1．1基于光谱共焦信号强度的局部反射率计算

5．1．2 HUD反射镜表面疵病测量实验

5．2基于K近邻算法的反射率点云空间滤波与疵病提取

5．2．1基于PCL库的点云数据处理技术

5．2．2基于K近邻滤波算法的HUD反射镜表面疵病提取

5．3本章小结

6总结与展望

6．1工作总结

6．2工作展望

参考文献