面向光學反射鏡的非接觸面形測量關鍵技術研究.pdf

1、基于非球面、自由曲面的光學反射鏡是光學系統(tǒng)中不可或缺的元件，由其構成的光學系統(tǒng)具有結構簡單、系統(tǒng)體積小、能量透過率高、成像質量高等特點，因而廣泛應用于大型天文望遠鏡、空間遙感、復雜自由曲面制造以及精密工程等領域。大口徑、非球面（離軸非球面）、自由曲面型反射鏡的高效加工一直是光學領域的瓶頸問題，隨著計算機控制局部磨拋等先進光學制造技術的發(fā)展，光學車間基本形成了固定的銑磨、研磨、拋光的三段式確定性加工模式，只要測量精度足夠高，確定性研拋就能

2、加工出相應精度的光學反射鏡，而測量技術的短板，特別是銑磨到研磨過渡階段測量手段的缺乏，嚴重影響到光學反射鏡的加工效率。
　　坐標式掃描測量通用性廣，適用于面形誤差較大和表面較粗糙時使用，是最有希望銜接銑磨到研磨過渡的面形測量方式，而現(xiàn)有的坐標式測量技術存在諸多缺點:1）接觸式坐標測量設備存在效率低的問題，而采用非接觸探頭的坐標式面形測量設備受限于探頭的量程和精度，如何實現(xiàn)非接觸探頭的高精度大量程測量？2）傳統(tǒng)坐標式測量設備采用柵格

3、掃描的方式，掃描效率過低，而采用螺旋掃描測量能夠明顯提高測量效率，但如何解決螺旋掃描測量時探頭與主軸旋轉中心的對中問題？3）傳統(tǒng)CMM在測量工件邊緣時存在測量不準的缺點，在測量異形工件時存在探頭軌跡復雜的問題，如何解決異形工件的全口徑測量？4）反射鏡的表面疵病測量意義重大，但目前仍舊依賴人工或專用設備檢測，而幾乎所有的面形測量設備都不具備表面疵病測量功能，如何實現(xiàn)面形測量和表面疵病測量在同一臺設備上同時測量？本文的研究工作將針對上述關鍵

4、問題，提出了一系列具有工程意義的方法和關鍵技術，開發(fā)了具有自主技術的非接觸坐標式面形測量系統(tǒng)。
　　論文的研究內容一共分為六章:
　　第一章:介紹了光學反射鏡的面形測量研究背景，介紹了光學反射鏡的應用前景和面形測量的基礎理論。概括了目前常用的可用于光學反射面測量的各種方法，并概述了各自的優(yōu)缺點，指出了目前反射面測量所面臨的技術難題和測量要求。簡述了針對非接觸坐標掃描式面形測量技術的發(fā)展狀況，對比了我國與國外先進技術的差距，并

5、指出現(xiàn)有相關技術的不足之處。最后概述了本文的主要研究內容和意義。
　　第二章:針對目前高精度探頭均存在量程低、無法測量PV值較大的面形的缺點，提出了基于音圈電機運動平臺的自動聚焦式面形跟蹤測量技術，為此本章從音圈電機運動平臺的開發(fā)以及自動聚焦的實現(xiàn)提出了兩種不同精度和跟蹤速度的自動聚焦系統(tǒng)，即機械導軌式和氣浮導軌式。詳細介紹了機械導軌式從器件到系統(tǒng)的開發(fā)過程，包括音圈電機的設計制造、光柵尺細分器的設計、控制系統(tǒng)和系統(tǒng)調試策略等。介

6、紹了氣浮運動系統(tǒng)的優(yōu)勢和開發(fā)難點，重點解決了氣浮導軌的裝配技術，提出了一種低成本、易實現(xiàn)的裝配技術，實現(xiàn)了比機械式系統(tǒng)更優(yōu)的定位精度和更高的跟蹤速度。提出了適用于同類系統(tǒng)的控制策略、調試策略以及性能評估方法。
　　第三章:提出了一種新的面形測量系統(tǒng)，并系統(tǒng)介紹了直角坐標式面形跟蹤測量樣機的開發(fā)過程，包括坐標運動系統(tǒng)的設計、搭建以及控制，運動誤差的測量及補償方法，高精度面形測量系統(tǒng)的設計和開發(fā)，測量信號采集策略和抗干擾措施以及軟件開

7、發(fā);樣機搭建完成后，對分辨率、漂移、重復性等指標進行了測量。
　　第四章:對于掃描式面形測量設備而言，螺旋掃描是掃描效率最高的方式，而實現(xiàn)螺旋掃描最大的難點在于掃描探頭和主軸旋轉中心的對中。本章提出了一種適用于所有螺旋掃描測量設備的探頭對中方法，這種方法只需要使用一個傾斜的平面鏡就能實現(xiàn)高效率、高精度的對中。本章詳細說明了該方法的原理和操作步驟，并開展了系列實驗驗證了該方法的可行性，同時提出了一種對中誤差的評估方法，實驗證明在自主

8、搭建的測量設備上的對中精度為10μm，在高精度氣浮平臺上的對中精度為1.7μm，所需的操作時間僅為3 min。
　　第五章:論述了基于色散共焦位移傳感器的反射鏡全口徑面形測量技術和表面疵病測量技術。首先介紹了色散共焦位移傳感器的原理，研究了傳感器輸出的譜峰強度信號的工程意義，優(yōu)化了面形測量系統(tǒng)的測量原理，提出了異形光學反射鏡的全口徑覆蓋測量方法，并通過實驗驗證了方法的可行性。為了實現(xiàn)反射鏡表面疵病測量，建立了色散共焦位移傳感器的“