球面光學(xué)元件表面疵病評價系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著科技的進(jìn)步，為滿足深空探測、能源獲取、遙感測控等需求，球面光學(xué)元件朝大型化、高精度方向發(fā)展，同時也對球面元件表面質(zhì)量提出了更高的要求。球面元件表面質(zhì)量的主要評價參數(shù)有:面形、粗糙度和表面缺陷等。精密元件的表面面形、粗糙度等相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)可以利用非常成熟的科學(xué)儀器如數(shù)字化干涉儀和輪廓儀來進(jìn)行檢測并得以控制，而表面缺陷的數(shù)字化檢測至今尚難以實(shí)現(xiàn)。目前在表面缺陷檢測領(lǐng)域，平面元件缺陷的數(shù)字化檢測尚處于起步階段，球面元件由于其光學(xué)結(jié)構(gòu)參

2、數(shù)如曲率、形狀的多變性，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化檢測則面臨更多難題，因此對球面元件尤其是大口徑球面元件的檢測，只能用人工目測。但是人工目測存在主觀性強(qiáng)、效率低、缺陷無法定位、定量等不足，嚴(yán)重制約了如慣性約束聚變大科學(xué)裝置、空間光學(xué)及超精密先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的發(fā)展，所以實(shí)現(xiàn)大口徑球面的表面缺陷自動化檢測是相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。
　　本論文在平面缺陷顯微散射暗場成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對不同曲率、形狀及口徑的球面缺陷檢測，在球面缺陷顯微散射暗場照明

3、、球面子孔徑掃描路徑規(guī)劃算法、球面掃描多軸聯(lián)動系統(tǒng)誤差影響、球面缺陷三維重構(gòu)技術(shù)等方面展開了研究。主要研究內(nèi)容包括:
　　結(jié)合大口徑球面光學(xué)元件現(xiàn)代超精密加工技術(shù)，綜合國內(nèi)外基于機(jī)器視覺的表面缺陷檢測技術(shù)研究進(jìn)展，提出了開展球面元件高精度缺陷檢測技術(shù)與系統(tǒng)研究的重要性及必要性。
　　在大口徑平面元件表面缺陷評價系統(tǒng)SDES(Surface Defects EvaluationSystem，SDES)的基礎(chǔ)上，提出基于顯微散射

4、暗場照明的球面光學(xué)元件表面缺陷檢測方法。分析了滿足不同曲率、形狀及口徑的球面缺陷檢測的特殊照明光源與球面光學(xué)定中系統(tǒng)，為球面元件的掃描與成像奠定基礎(chǔ)。
　　提出了球面三維掃描路徑自動規(guī)劃算法，并建立了SOM(Same Overlappedarea on Meridian)與SOP(Same Overlapped-area on Parallel)的規(guī)劃模型。在兩種規(guī)劃模型中，對相鄰子孔徑不同重疊因子優(yōu)化規(guī)劃仿真的基礎(chǔ)上，利用三種評

5、價方法進(jìn)行對比評估，獲得較優(yōu)的SOP規(guī)劃方案，保證球面全口徑的無漏、快速檢測。同時建立基于Pin-Hole模型的三維球面子孔徑重構(gòu)算法，利用球面三維成像時的映射關(guān)系，結(jié)合被測元件曲率半徑，將二維子孔徑平面像逆向重構(gòu)獲取三維子孔徑球面像。并在三維重構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用SOP規(guī)劃結(jié)果，完成三維球面的直接拼接過程，得到三維球面全口徑缺陷圖像。
　　針對三維子孔徑直接拼接引起球面缺陷特征斷裂的問題，對球面多軸聯(lián)動掃描系統(tǒng)中的誤差源進(jìn)行了分析:

6、基于多體系統(tǒng)理論，建立球面多軸聯(lián)動掃描系統(tǒng)理想運(yùn)動模型與含有誤差項(xiàng)的實(shí)際運(yùn)動模型?；谏鲜瞿Ｐ头抡娼Y(jié)果分析了誤差項(xiàng)對拼接的影響，同時模擬實(shí)際采樣過程，對系統(tǒng)硬件進(jìn)行誤差分布優(yōu)化分析，保證直接拼接精度。
　　針對大口徑球面拼接中可能存在的拼接錯位現(xiàn)象，建立了基于緯線環(huán)帶最佳匹配的球面子孔徑拼接理論模型，將拼接過程劃分為緯線環(huán)帶上相鄰子孔徑局部配準(zhǔn)與緯線環(huán)帶間多幅子孔徑全局配準(zhǔn)與全局捆綁調(diào)整，通過保證三維子孔徑投影圖像的高質(zhì)量拼接結(jié)果

7、，來保證三維球面全口徑的拼接精度。
　　在理論研究的基礎(chǔ)上，首次提出了基于顯微散射暗場成像的大口徑球面元件表面缺陷機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)方案，并建立了原理性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用環(huán)形可變焦高亮度LED光源照射被測球面元件表面，在有效避免球面反射光影響的前提下，表面缺陷誘發(fā)的散射光束通過顯微成像系統(tǒng)，得到暗背景高亮缺陷的暗場子孔徑圖像;為實(shí)現(xiàn)覆蓋球面全口徑的子孔徑采樣，采用多軸聯(lián)動掃描機(jī)構(gòu)配合光學(xué)自準(zhǔn)直球面定中系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了球面元件表面的子孔徑掃