大口徑非球面數(shù)字刀口儀測(cè)試技術(shù)研究.pdf

1、隨著非球面光學(xué)元件加工工藝的不斷改進(jìn)，非球面光學(xué)元件已在航空、航天、天文望遠(yuǎn)鏡、軍事、民用等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。光學(xué)檢測(cè)和光學(xué)加工一直以來(lái)都是光學(xué)工業(yè)發(fā)展的兩大課題，隨著高精度數(shù)控機(jī)床等現(xiàn)代非球面加工工藝的發(fā)展，非球面光學(xué)元件的加工精度得到不斷提升，為了適應(yīng)非球面光學(xué)元件的加工現(xiàn)狀，研究工作者發(fā)展了許多非球面光學(xué)元件檢測(cè)的新技術(shù)和新方法。
　　 現(xiàn)有的非球面光學(xué)元件檢測(cè)方法主要有干涉法、輪廓法、計(jì)算全息法、哈特曼法以及刀口法等

2、，但都存在著各自不同的局限性，沒(méi)有完全解決非球面光學(xué)元件面形檢測(cè)問(wèn)題。本論文在綜合分析各種非球面光學(xué)元件面形測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，著重研究了數(shù)字化刀口儀對(duì)大口徑非球面光學(xué)元件的面形進(jìn)行定量檢測(cè)技術(shù)和方法。
　　 刀口儀具有靈敏度高、直觀性強(qiáng)、操作方便、簡(jiǎn)單靈活、成本低、環(huán)境適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合檢驗(yàn)大口徑長(zhǎng)焦距光學(xué)元件的面形。數(shù)字刀口儀具有刀口儀的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)刀口儀進(jìn)行數(shù)字化，是非球面光學(xué)元件面形檢

3、測(cè)的發(fā)展方向之一。
　　 本論文研究大口徑非球面光學(xué)元件面形的數(shù)字刀口儀定量檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)方法，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究解決了以下關(guān)鍵問(wèn)題。
　　 ①根據(jù)刀口檢驗(yàn)原理，構(gòu)建了數(shù)字刀口儀光學(xué)元件面形檢測(cè)裝置。研究和介紹了數(shù)字刀口儀光路、結(jié)構(gòu)以及軟件等實(shí)現(xiàn)方法和設(shè)計(jì)方案，具體內(nèi)容包括數(shù)字刀口儀光源設(shè)計(jì)和光源的結(jié)構(gòu)安排、刀口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及三維移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)、圖像接收器件CCD的選擇以及性能分析、刀口定量分析計(jì)算軟件設(shè)計(jì)以及軟件流程

4、等。
　　 ②研究了數(shù)字刀口儀定量計(jì)算的理論基礎(chǔ)。建立了刀口切割光斑過(guò)程中，灰度值變化的數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)該數(shù)學(xué)規(guī)律建立了數(shù)據(jù)擬合的幾何模型。分別用函數(shù)逼近、最小二乘法、分割數(shù)據(jù)法等數(shù)據(jù)擬合方法對(duì)CCD像面上的每一個(gè)像素的灰度變化規(guī)律進(jìn)行擬合，得到暗閾值對(duì)應(yīng)的刀口位置，從而得到了被測(cè)光學(xué)元件表面由于面形差造成的自準(zhǔn)直光線偏離理想焦點(diǎn)位置的偏離值，這是實(shí)現(xiàn)數(shù)字刀口儀光學(xué)元件面形定量檢測(cè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。其中，分割數(shù)據(jù)法進(jìn)行擬合具有運(yùn)算量

5、小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，降低了數(shù)字刀口儀處理軟件的運(yùn)算復(fù)雜度和時(shí)間復(fù)雜度。
　　 ③利用VC++環(huán)境開發(fā)了數(shù)字刀口儀定量計(jì)算分析軟件，該軟件可對(duì)刀口切割過(guò)程進(jìn)行控制，具有圖像采集、處理和存儲(chǔ)功能，最后根據(jù)刀口切割過(guò)程中CCD像素上每一個(gè)灰度值的變化規(guī)律，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、擬合和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)光學(xué)元件的面形重構(gòu)，計(jì)算出被測(cè)光學(xué)元件的PV值和R_MS值，同時(shí)繪制出被測(cè)光學(xué)元件的二維和三維面形圖。此外，軟件還具有圖像回放功能，可對(duì)切割過(guò)程中灰

6、度變化的情況進(jìn)行回放，從而能夠更直觀的觀察被測(cè)光學(xué)元件的面形變化情況。
　　 ④利用數(shù)字刀口儀光學(xué)元件面形檢測(cè)裝置對(duì)大口徑長(zhǎng)焦距的球面、拋物面等光學(xué)元件的面形進(jìn)行了定量檢測(cè)，給出了檢測(cè)結(jié)果。同時(shí)，將數(shù)字刀口儀測(cè)量結(jié)果與干涉儀測(cè)量結(jié)果相比較，測(cè)量結(jié)果的一致性為0.0μm，從而證明了本課題研制的數(shù)字刀口儀的正確性和有效性。
　　 ⑤對(duì)數(shù)字刀口儀面形定量檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的不確定度分析，給出提高測(cè)量精度的主要技術(shù)。