光学自由曲面计算机控制加工中的形面检测研究

光学自由曲面可以实现特殊的成像效果，给光学设计提供了更大的自由度，计算机控制加工方法可以在低精度设备上加工出高精度的光学自由曲面。自由曲面的形面检测是决定其最终加工精度的关键因素。本文讨论了自由曲面的形面检测方法，研究了自由曲面的坐标测量法，提出了快速自由曲面坐标测量法，并进行了验证。结果表明采用快速自由曲面测量法可以大大缩短测量时间，测量精度在测量机的精度范围内。

复杂曲面光学元件高精度面形检测技术概述

复杂曲面光学元件应用于光学系统中可以增大系统设计自由度,同时减少系统所需元件数量,有利于实现光学系统的紧凑化、轻量化,被誉为现代光学系统的变革性元件,被广泛应用于空间光学、光刻系统、汽车照明等领域,极大推动了航天、国防及高科技民用事业的发展。然而,复杂曲面光学元件对面形精度要求较高,如何对其面形进行高精度检测从而指导加工成为限制该类元件大范围应用的瓶颈。文章对10余种常用的复杂曲面光学元件面形检测方法进行了分类梳理,按照是否采用干涉原理,将检测方法分为非干涉检测法和干涉检测法两大类,分别介绍了各种检测方法的原理和适用范围,回顾了各方法的发展历程,着重分析了几种典型方法进行面形检测的特点,并对未来复杂曲面光学元件高精度面形检测技术的发展趋势加以展望。

非球面光学元件的面形检测专利技术现状

非球面光学元件是表面形状偏离球面的光学元件,具有自由度高、灵活性强的特点,具有广泛的应用前景,但其检测方法是阻碍其发展的一大难题。以非球面光学元件的面形检测技术的专利申请作为分析对象,本文重点分析全球范围内关于非球面光学元件的面形检测技术的申请量、技术发展状况以及重点技术分支发展路线。

基于摄影测量的定日镜面形误差检测方法研究

在塔式太阳能热发电中,定日镜面形误差对镜场光学效率具有重要影响,因此需要对定日镜面形误差进行检测。定日镜一般由多个子镜拼接而成,子镜的倾斜角度误差是定日镜面形误差的重要组成部分。本文提出一种基于摄影测量的定日镜子镜倾斜角度误差的检测方法,即在已知定日镜子镜外形尺寸的条件下,利用摄影成像原理计算出定日镜子镜4个角点的空间位置坐标,进而求出子镜的法线方向,再利用所求得的法线计算出子镜的倾斜角度,最终实现对定日镜子镜倾斜角度误差的检测。本文详细阐述了该方法的测量原理,推导了计算公式,并利用平面镜与相机进行了相关验证实验。通过在不同距离下对不同倾斜角度的平面镜进行测量实验,得出测量镜面倾斜角度与实际倾斜角度的偏差约为0.1°~0.3°,实验结果表明:该方法能够较准确地检测定日镜子镜的倾斜角度误差,验证了该方法的正确性和可行性。

主动反射面面形实时计算与检测方法研究

主动反射面技术在射电望远镜发展中具有重要意义,为提高主动反射面技术中面形检测的实时性,减小环境因素造成的检测误差,建设了主动反射面面形监测研究平台,提出一种利用测距传感器的主动反射面面形计算与检测方法。首先确定主动反射面基准面,其次将面板运动看作旋转运动,利用罗德里格旋转公式得到面板的旋转矩阵,最后利用面板的旋转矩阵计算面板当前位姿。仿真结果显示,该方法具有可行性,计算1625个节点下的面板位姿耗费时长为5070 ms,能够提高面形检测的实时性,为提高主动反射面运行精度提供参考,使采用主动反射面技术的射电望远镜达到更好的性能指标。

多表面干涉下的光学元件面形检测

为了消除平行平板类光学元件的多表面干涉效应对元件面形测量的影响,提出了基于波长移相调谐技术与傅里叶变换原理的多表面干涉条纹检测技术。首先,根据波长移相原理和被测元件的厚度,按照推算出的被测腔长与元件厚度间的比例关系正确摆放被测元件的测试位置。然后,通过波长移相技术采集一组干涉图。最后,对这组多表面干涉图进行离散傅里叶变换,提取带有被测元件前后表面面形的频率信息以及厚度变化的频率信息,通过重构算法得到准确的面形信息和厚度信息。实验结果表明:与传统的13步移相算法相比,得到的前表面PV值和RMS值分别相差0.003和0.001,而后表面PV值与RMS值分别相差0和0.001。这些结果基本满足平行平板类光学元件面形的高精度测量与洁净测量的要求。

超高精度面形干涉检测技术进展

深紫外、极紫外光刻、先进光源等现代光学工程牵引驱动超精密光学技术持续发展,超精密光学制造要求与之精度相匹配的超高精度检测技术。作为核心技术指标之一的面形精度通常要求达到纳米、深亚纳米甚至几十皮米量级,超高精度面形干涉检测技术挑战技术极限,具有重要研究意义和应用价值。本文分析了面形干涉检测技术发展趋势,主要介绍了中国科学院光电技术研究所近年来在超高精度面形干涉检测技术相关研究进展。

大型蒙皮模胎曲面数据采集及数字化检测方法

随着飞机的设计及生产数字化进程的推进,逆向工程被逐渐应用到了传统产品改型设计、新产品的开发、产品仿制和质量分析检验领域。以美国为代表的国外飞机生产企业已经形成了逆向工程的体系化发展,但中国还不具备完善的逆向工程体系。由于飞机组件特征的复杂性和结构形式的多样性,使得其在具体实施应用中仍然面临许多新的技术问题与应用挑战。在飞机的实际制造生产中,也存在诸如老旧工装的反修,特制零件装配中的干涉,多零件装配体、超大尺寸零件、特殊结构零件的数据采集精度不高等技术难题。基于通用逆向数据采集设备的模胎曲面数据获取优化方法,以及基于Geomagic软件飞机大型蒙皮模胎曲面数据数字化检测对比、分析方法。解决了传统数控测量机检测方式效率低、覆盖率低的问题,实现了模胎形面快速检测、检测面100%覆盖并自动输出形面检测分析报告,达到提高零件质量、降低成本、缩短零件加工周期的目标。本项研究结果表明,三维激光扫描仪和Geomagic软件相结合的方法可以实现对大型结构件进行全方位的快速精确测量与分析,为该类产品检验提供了新手段。

基于光强自标定移相算法检测光学面形

考虑菲佐型波长移相干涉仪中波长可调谐激光器光强与调节电压之间的关系会对相位计算精度造成影响,本文提出了一种基于光强自标定的波长移相算法。首先,分析了波长可调谐激光器调节电压与输出光强之间的关系,建立了数学模型;然后,依据最小二乘判据,推导出了波长移相干涉仪的光强自标定移相算法。最后,实施了仿真实验,通过计算机生成背景光强具有一定变化的12幅干涉图,利用所提出的算法进行了相位恢复。结果表明,提出的算法可以很好地免疫激光器的光强变化,实现高精度的相位恢复。对口径为100mm的平面镜的测量结果显示RMS为0.005λ,PV为0.073λ。与ZYGO干涉仪测量结果的比较显示,两次测量面形的偏差RMS为0.0014λ,PV为0.022λ。得到的结果证明了算法的可行性及在菲佐型波长移相干涉仪中的实用性。

光学组件面形检测中激光光斑分割与分类算法的研究

针对光学组件面形检测中激光光斑处理问题,提出了一种激光光斑分割与分类算法;该算法对光学组件面形检测中激光光斑的特点进行了分析,利用延时相关滤波、梯度阈值分割以及基于特征的分类技术,实现了激光光斑分割与分类;实验结果表明,该算法能有效区分光学组件前后表面反射光斑,提取质心重复性高、稳定可靠;该方法已商用于光学组件面形检测系统中。

微光学元件面形的数字刀口检测技术

微列阵光学元件的质量评价是光学测量中的一项新课题。将传统的刀口检测技术进行数字化改进后,用于微光学元件的面形检测,具有实时、定量、精度高的特点,在光学元件质量评价中有着重要意义。介绍了应用数字刀口检测反射式微镜列阵面形质量的原理和实验装置,详细论述了对CCD采集的阴影图进行图像处理的关键步骤:(1)精确测定每个像素的暗场阈值所对应的刀口位置;(2)确定与像素相应的面形区域的倾角误差;(3)对面形进行重构。最后结合具体实验进行了分析和讨论,实验所测得的面形误差为nm量级。

大口径空间反射镜高精度面形检测的支撑技术研究

由于空间失重状态与地面状态不同,大口径空间反射镜在地面检测时需要通过特殊支撑结构对其重力进行卸载,同时严格控制支撑力引入的反射镜变形,以满足反射镜高精度面形检测的要求。通过对一口径750mm的空间SiC非球面反射镜进行检测,对比分析检测结果和有限元仿真结果,研究支撑结构对反射镜面形所造成的影响。主要针对吊带支撑和中心支撑进行详细的检测验证,分析其不能实现该反射镜高精度检测的原因;通过改进支撑方案,最后提出背板支撑,改善支撑变形的影响,不同角度下测量重复性达到纳米级,收到较好的检测效果,为该反射镜加工质量和加工效率的提升奠定了基础。

大口径光学组件面形检测系统研究

利用角差法原理设计了一种集高精度测角仪与五棱镜于一体的面形检测系统,实现了大口径平面镜不同姿态下的面形测试。系统主要由光学系统、三维运动平台、图像处理系统和面形数据绘制与管理等组成,突破常规"以大测大"的高成本检测方法。实验结果表明,水平方向上的均方根误差(RMS)为0.03μm,垂直方向上的RMS为0.07μm,全面形的RMS为0.06μm,能满足检测需要。

大口径平面光学元件面形检测中激光光斑质心定位

如何快速准确计算透镜焦面上的光斑质心坐标是大口径平面光学元件面形检测系统的核心问题之一,直接决定面形检测的精度和重复性。定义一个半径为r的探测窗口,根据到中心距离建立一维卷积模板,在光斑覆盖区域中寻找窗口内能量和局部最大的位置,确定光斑有效区域;再使用传统重心法计算有效区域质心;最后应用3σ准则进行误差处理。实验结果表明,该算法检测精度为0.1像素,各指标比传统阈值加权质心定位法提高约1倍,面形测量的面形相似性和PV比阈值加权法更贴近干涉仪检测结果。目前,通过长时间的实验验证与改进,已成功运用于实际项目中。

大曲率光学零件面形的空间载频外差干涉术检测

光学零件表面面形检测的结果直接影响光学零件的质量,介绍了一种在平面干涉仪上检测大曲率球面光学零件面形的方法,通过对干涉图进行预处理、FFT提取相位、解包裹,并采用Zernike多项式拟合,得到被检球面相对平面的面形函数,与指定的球面相减后,再一次进行Zernike多项式拟合,得到了被检面相对于指定球面的面形函数,由此计算出被检球面的面形误差PV值、RMS值,N与△N,并模拟出了用球面干涉仪检测时的干涉条纹。该方法克服了接触检测的缺点,精度高,PV值的标准差σ优于λ/100,RMS值的标准差σ优于λ/700,而且可通过软件设定检测任意大曲率光学零件,为大曲率半径光学零件的检测提供了一种适用的方法。

两位置球面面形检测方法研究

三位置球面面形绝对检测方法在一定的条件下可以简化为两位置球面面形检测方法.本文在研究三位置绝对检测原理的基础上,提出了基于菲索干涉系统新的两位置球面面形检测方法.该方法的简化条件分为参考面面形误差偶对称或被检面面形误差偶对称两种不同的情况.实验结果表明,两位置检测方法可以有效实现PVr值λ/30的高准确度检测,且检测结果PVr值重复性在±λ/300范围内,RMS值重复性在±λ/4 000范围内.采用两位置检测方法得到的面形误差分布结果与三位置绝对检测方法非常接近,PVr值相差小于λ/300,RMS值相差小于λ/2 500.因此在一定条件下,两位置检测方法可以有效简化实验装置和检测步骤,且不失三位置绝对检测方法的准确度和重复性.

利用相位差异法检测镜面面形

为了验证相位差异波前检测器演示系统利用自带光源独立完成波前检测任务的能力,搭建了基于相位差异法检测镜面面形的实验平台。测试时在焦面和离焦面上同时采集短曝光图像,在已知离焦量的前提下解算出波前相位分布并恢复出目标,从而实现对大镜面像差的估计。为了进一步验证相位差异测量方法的准确性,对相位差异法与高精度的ZYGO干涉仪得到的测量结果进行了比较分析。实验结果表明:两种方法获得的面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)一致性很好,而波前RMS的测量精度达到了2.83/1 000λ。得到的结果表明提出的相位差异法能有效地检测出镜面的像差,且准确性很好。

沉积模拟实验砂体形态三维面形检测与分析系统应用

介绍了砂体形态三维面形检测与分析系统的基本原理、系统的机械组成、软件界面特征及在沉积模拟中的应用,应用结果表明,该系统可快速、准确、适时地检测沉积模拟实验过程中砂体的形态特征。据砂体形态特征的连续检测,可反映砂体形态在沉积模拟实验过程中的变化历程,揭示砂体形态的演变规律,为油田储集砂岩体的研究提供资料。

非球面面形检测的特征干涉图数字分析法

对干涉图的数字分析法进行了研究 ,首先 ,利用动态条纹扫描技术对干涉图进行数字分析 ,然后与理论计算结果相比较 ,从而获得面形误差数据 ,最后在改进型 SPG- 型激光数字波面干涉仪上进行实测验证 ,表明其测量精度可达 λ/ 2 0 ( PV) .对非球面度较小的非球面面形 ,其检测可通过直接利用标准球面镜作为参考表面在干涉仪上获得“非球面特征干涉图”

柔性曲面变形检测的FBG方法

为实现太阳能帆板、飞机机翼等薄板类曲面的动态检测,构建了一种基于光纤光栅(FBG)的传感阵列系统。将FBG传感器分布式地封装在形状记忆合金(SMA)薄片上,并采用增加预应力方式,扩大FBG检测拉应力的检测范围;利用空分复用(SDM)和波分复用技术(WDM)将FBG阵列布置到曲面上,传感器分布根据曲面应力状况采用植入式分布,应变较大的地方布置稠密,反之稀疏;曲面发生变形时,解调仪器解调出波长变化;计算机对采集数据进行处理,重建曲面形状并实时显示,以实现曲面的动态检测和显示。实验结果表明,此传感阵列系统的波长变化与曲率具有较好的线性关系,传感器布置合理、测量精度高,利用FBG能够实现曲面变形检测。