伴隨現(xiàn)代大口徑光學(xué)元件加工檢測(cè)技術(shù)的不斷完善,當(dāng)代各類光機(jī)電等元件在朝著小型化、精密化方向發(fā)展,使得對(duì)元件輪廓測(cè)量精度的要求甚至提升到了納米的量級(jí),并且元件面形出現(xiàn)多樣化的趨向,各式各樣復(fù)雜面形以及超高性能的大口徑光學(xué)元件相繼面世,其中大口徑光學(xué)元件更是在天文光學(xué)領(lǐng)域、空間光學(xué)領(lǐng)域、遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)探測(cè)識(shí)別、激光傳輸?shù)阮I(lǐng)域中起到了關(guān)鍵作用,同時(shí)也成為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和超精密加工技術(shù)相互滲透的產(chǎn)物。本課題“大口徑共焦輪廓儀設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)復(fù)合掃描方法研究”,利用共焦掃描原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)大口徑共焦輪廓儀的設(shè)計(jì)及誤差分析以及對(duì)大口徑光學(xué)元件的二維輪廓測(cè)量和提取工作,重點(diǎn)研究了關(guān)于改變XZ相對(duì)運(yùn)動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)大口徑二維輪廓較快速測(cè)量的方法,并基于此編寫(xiě)了LabVIEW上位機(jī)軟件平臺(tái)。主要工作內(nèi)容如下:(1)研究分析基本共焦成像理論,分析推導(dǎo)動(dòng)態(tài)復(fù)合掃描的情況下的共焦掃描成像三維強(qiáng)度點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),主要研究復(fù)合運(yùn)動(dòng)軸向包絡(luò)曲線的變化,包括在不同的面形以及不同的運(yùn)動(dòng)模式下的變化以及后期對(duì)測(cè)量的影響;(2)設(shè)計(jì)大口徑光學(xué)共焦輪廓儀,測(cè)量范圍200mm×200mm×150mm以滿足大口徑光學(xué)元件的輪廓形貌測(cè)量的需求,針對(duì)不同的測(cè)量面形改變相對(duì)運(yùn)動(dòng)模式可以獲得步進(jìn)式掃描及復(fù)合式掃描輪廓測(cè)量結(jié)果,儀器同時(shí)具備傳統(tǒng)共焦測(cè)量微結(jié)構(gòu)三維形貌測(cè)試的能力;(3)大口徑光學(xué)共焦輪廓儀幾何誤差建模分析及矯正:共焦輪廓儀設(shè)計(jì)采用柱式坐標(biāo)輪廓儀結(jié)構(gòu)模型,測(cè)量傳感器采用共焦光學(xué)測(cè)頭,位置反饋采用精密激光干涉儀監(jiān)測(cè)高精度平晶,儀器測(cè)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由四路精密激光干涉儀及兩個(gè)平晶組成,通過(guò)分析三軸18項(xiàng)運(yùn)動(dòng)誤差運(yùn)動(dòng)模型并給出補(bǔ)償表達(dá)式,以便后期進(jìn)行補(bǔ)償修正。(4)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證復(fù)合掃描運(yùn)動(dòng)模式下對(duì)平面、傾斜表面、球面的測(cè)量結(jié)果并與步進(jìn)式掃描作對(duì)比,通過(guò)給出斜面測(cè)量誤差以及球面半徑擬合結(jié)果,對(duì)比分析復(fù)合式掃描在時(shí)間提升上的優(yōu)越性,并且最后對(duì)儀器測(cè)量性能進(jìn)行了分析。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

等因素的影響。國(guó)外研究較早的比如美國(guó) Arizona 大學(xué)的擺臂式輪廓輪廓儀（SAP）等[7]，成的產(chǎn)品比如 Taylor Hobson 公司 PGI 系列儀器等。其中，NPL 和 UCL 共同研發(fā)了型擺臂輪廓測(cè)量?jī)x的原型樣機(jī)，用于研究項(xiàng)目中對(duì)大型鏡面輪廓的測(cè)量。該擺臂輪廓測(cè)量?jī)x有 1220mm 的軸向測(cè)量行程、氣浮旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和 LT12 線性編碼器等成，最大測(cè)量口徑為 1000mm，可以完成對(duì)平面、連續(xù)曲面等輪廓的檢測(cè)，測(cè)量復(fù)性達(dá) 30nm，輪廓測(cè)量 RMS 值為 28nm。2010 年，Henselmans 等學(xué)者研發(fā)設(shè)計(jì)如圖 1-1 右圖所示的新型大型輪廓測(cè)量?jī)x NANOMEFOS 測(cè)量?jī)x，用于非球面和由曲面元件的非接觸式輪廓測(cè)量，該測(cè)量?jī)x器最大可測(cè)量口徑 500mm 的大型連曲面，并具備 30nm 的測(cè)量不確定度。2012 年泰勒霍普森公司研發(fā)出的新型多功非球面元件輪廓測(cè)量?jī)x—Talysurf PGI Dimension 5XL[7]，利用探針接觸元件表面方式，通過(guò)相位光柵干涉原理探測(cè)探針位移信號(hào)，測(cè)量信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換和濾波等處理擬合出實(shí)測(cè)量元件輪廓并得出面形誤差，可用于檢測(cè)平面、球面和非球面的表面糙度、面形精度等參數(shù)，可測(cè)量最大斜率為 85°的表面，具有 0.2nm 的表面平面測(cè)量分辨率和 300mm 的測(cè)量口徑[6]。

被測(cè)非球面的面形誤差信息。如果補(bǔ)償器不存在設(shè)計(jì)制造誤差的問(wèn)題，并且沒(méi)有裝失調(diào)誤差的影響，那么測(cè)量光束的波前變化就完全對(duì)應(yīng)被測(cè)非球面元件的面型差[9-11]。零位補(bǔ)償法的原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，涉及到的參數(shù)少，可實(shí)現(xiàn)大范圍量程測(cè)量，因此為大口徑軸對(duì)稱光學(xué)非球面元件的最有效檢測(cè)方法。在天文觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡和激光核變等復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中，針對(duì)大口徑非球面光學(xué)元件面型誤差的高精度測(cè)量從未開(kāi)過(guò)零位補(bǔ)償法。但是，由于補(bǔ)償器設(shè)計(jì)難度大，制造和裝配精度難以保證，不被測(cè)非球面元件需要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)不同補(bǔ)償器，不具備通用性，這些因素都制約著該法的實(shí)際應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)小口徑干涉儀對(duì)大口徑非球面面型進(jìn)行干涉測(cè)量，Kim C.J 等學(xué)者提出子孔徑拼接的概念，大口徑平面反射鏡被小口徑平面反射鏡陣列代替并實(shí)現(xiàn)了拋面鏡的自準(zhǔn)直檢驗(yàn)。隨后，Y.M.Liu 等學(xué)者提出了環(huán)形子孔徑檢測(cè)技術(shù)，將被測(cè)球面劃分為多個(gè)小的子孔徑，利用常規(guī)小口徑高精度干涉儀，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移實(shí)對(duì)每個(gè)子孔徑進(jìn)行零位干涉測(cè)量，并以此方式完成全部口徑的測(cè)量，再利用重合域拼接算法得到全口徑面型測(cè)量結(jié)果，其原理如圖 1-2 所示[9]。

圖 1-3 QED 研發(fā)的自動(dòng)拼接干涉儀[9]度輪廓儀研究現(xiàn)狀學(xué)元件表面輪廓的主要獲取方法，是通過(guò)濾波、擬合等方法分析從而進(jìn)行評(píng)定，并給出元件面型參數(shù)。隨著光學(xué)元件表面面型的化，測(cè)量?jī)x器也必須與時(shí)俱進(jìn)：大行程、高精度是目前大口徑光展方向。因此，研發(fā)新一代大量程、高精度、非接觸式的輪廓儀檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[13-15]。在新一代輪廓儀的研發(fā)過(guò)程中，測(cè)量直無(wú)法實(shí)現(xiàn)二者的兼顧。研發(fā)人員為解決這一問(wèn)題也提出了許多八十年代，法國(guó)科學(xué)家研究出一種可檢測(cè)曲面輪廓的檢測(cè)儀，采原理，并且加深了觸針系統(tǒng)中傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，采用步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合控制探針的工作模式，并且儀器的測(cè)量范圍可以手動(dòng)調(diào)整 1-4 所示：探針探測(cè)到的模擬信號(hào)(±10V)通過(guò) 10 位 A/D 進(jìn)行模達(dá)到傳感器上限值時(shí)，豎直方向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器在點(diǎn)位置回到傳感器幾何中心附近。這種方案將傳感器的小量程拼
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 徐磊;陳曉懷;程銀寶;姜瑞;王漢斌;程真英;;坐標(biāo)測(cè)量機(jī)孔徑測(cè)量的不確定度評(píng)定模型研究[J];中國(guó)測(cè)試;2016年01期

2 張運(yùn)海;楊皓旻;孔晨暉;;激光掃描共聚焦光譜成像系統(tǒng)[J];光學(xué)精密工程;2014年06期

3 徐正平;匡海鵬;許永森;;動(dòng)態(tài)掃描拼接成像系統(tǒng)的多模控制[J];光學(xué)精密工程;2013年05期

4 涂龍;余錦;樊仲維;邊強(qiáng);葛文琦;劉洋;張雪;黃科;聶樹(shù)真;李晗;貊澤強(qiáng);;并行共焦顯微檢測(cè)技術(shù)及其研究進(jìn)展[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2012年08期

5 楊李茗;葉海仙;;大口徑大曲率半徑光學(xué)元件的高精度檢測(cè)[J];光學(xué)精密工程;2011年06期

6 郎治國(guó);譚久彬;;大口徑非球面的超精密回轉(zhuǎn)掃描測(cè)量技術(shù)研究[J];光電子.激光;2010年06期

7 崔繼文;譚久彬;宋傳曦;;精密微小內(nèi)尺度測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展[J];中國(guó)機(jī)械工程;2010年01期

8 李啟標(biāo);陳曉懷;;納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的導(dǎo)軌直線度誤差分離實(shí)驗(yàn)[J];黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào);2008年04期

9 王敏怡;周小紅;魏國(guó)軍;陳林森;;采用二元光學(xué)元件的三維輪廓測(cè)量方法[J];光學(xué)技術(shù);2007年02期

10 楊洪濤;費(fèi)業(yè)泰;陳曉懷;;納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)不確定度分析與精度設(shè)計(jì)[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2006年08期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前7條

1 朱德燕;空間大口徑非球面干涉補(bǔ)償檢驗(yàn)誤差分析與精度標(biāo)定[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2016年

2 侯茂盛;大口徑非球面表面形狀測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究[D];北京理工大學(xué);2015年

3 高松濤;超高精度非球面面形檢測(cè)技術(shù)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2014年

4 王晨晨;異端類型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)原理及誤差修正技術(shù)研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2012年

5 高貫斌;關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自標(biāo)定方法與誤差補(bǔ)償研究[D];浙江大學(xué);2010年

6 趙晨光;同步移相干涉共焦顯微成像技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

7 楊旭東;大量程輪廓綜合測(cè)量系統(tǒng)研究[D];華中科技大學(xué);2007年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 凌在帥;大行程高精密氣浮工作臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D];昆明理工大學(xué);2016年

2 谷康;共焦掃描離散曲面輪廓提取算法研究及軟件實(shí)現(xiàn)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

3 陳宇琪;便攜式光學(xué)表面輪廓儀的研究與應(yīng)用[D];南京理工大學(xué);2015年

4 黃久榮;曲面基底衍射元件共焦掃描輪廓提取方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

5 王建明;三坐標(biāo)輪廓測(cè)量?jī)x檢測(cè)非球面研究[D];蘇州大學(xué);2013年

6 謝初南;激光聚焦式測(cè)頭在納米計(jì)量系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[D];天津大學(xué);2012年

7 王星星;基于掃描白光干涉法的二元光學(xué)器件表面誤差分析[D];南昌航空大學(xué);2011年

8 宋傳曦;微小內(nèi)尺度測(cè)量系統(tǒng)精度分析及若干關(guān)鍵問(wèn)題研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

9 王宇航;共焦檢測(cè)系統(tǒng)掃描采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

10 徐志彥;三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)空間誤差的高精度測(cè)量與分離技術(shù)研究[D];西安理工大學(xué);2006年

本文編號(hào)：2866568