大口徑非球面表面形狀測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究共3篇

大口徑非球面表面形狀測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究共3篇大口徑非球面表面形狀測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究1大口徑非球面表面形狀測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

隨著科技的不斷發(fā)展和制造工藝的不斷進(jìn)步，越來越多的精密器械和設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在科學(xué)研究、工業(yè)制造和軍事領(lǐng)域中。這些器械和設(shè)備都依賴于精度高、形狀復(fù)雜的非球面光學(xué)元件，非球面光學(xué)元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)精度和表面形狀質(zhì)量對(duì)設(shè)備的性能有著至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)于精密器械和設(shè)備的制造而言，非球面表面形狀測(cè)量技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵。

目前，大口徑非球面元件的表面形狀測(cè)量技術(shù)是制造高精度器械和設(shè)備的必要環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的影像測(cè)量和激光干涉等技術(shù)存在著其固有的局限性，無法滿足現(xiàn)代非球面表面形狀測(cè)量的高精度和高效率的需求。因此，大口徑非球面表面形狀測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)的研究成為了當(dāng)前光學(xué)制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

為此，當(dāng)前常見的大口徑非球面表面形狀測(cè)量技術(shù)主要有以下幾種：

1.干涉法：該方法是利用干涉儀對(duì)測(cè)量的部件進(jìn)行干涉，從而計(jì)算出部件表面的高度分布，進(jìn)而獲得某一范圍內(nèi)的表面形狀信息。

2.點(diǎn)掃描法：該方法是通過旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)掃描，利用微量測(cè)頭記錄各個(gè)點(diǎn)位的表面高度信息，進(jìn)而構(gòu)建非球面元件表面三維形狀信息。

3.數(shù)字全息術(shù)：該方法是利用一系列數(shù)字全息圖對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行3D掃描，將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出并進(jìn)行后處理，得到非球面元件表面精確的三維形狀信息。

以上三種方法都具有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，在具體應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

除此之外，對(duì)于大口徑非球面表面形狀測(cè)量技術(shù)的研究還存在以下幾個(gè)關(guān)鍵問題：

1.運(yùn)動(dòng)誤差：由于非球面元件表面形狀復(fù)雜、形貌多變，因此在測(cè)量過程中容易產(chǎn)生測(cè)量誤差，如偏轉(zhuǎn)角度誤差、掃描速度不均勻等問題，這對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和可靠性產(chǎn)生了很大影響。

2.數(shù)據(jù)后處理：測(cè)量數(shù)據(jù)的后處理也是非常重要的一環(huán)。不同的算法和方法可以對(duì)3D數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出相應(yīng)的表面形狀特征，并進(jìn)行整合和優(yōu)化，從而獲得更加精確和可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.可重復(fù)性：非球面元件表面形狀測(cè)量中數(shù)據(jù)的重復(fù)性也是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)。對(duì)于同一元件的多次測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)能夠得到相同或相似的結(jié)果，測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)該具有足夠的可重復(fù)性。

總體來說，在非球面元件表面形狀測(cè)量技術(shù)的研究過程中，需要綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段，不斷完善數(shù)據(jù)采集和處理的方案，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的重復(fù)性和精度，從而為高科技設(shè)備的制造和研究提供有力的技術(shù)支持和保障在現(xiàn)代科技發(fā)展中，非球面元件在各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因此其表面形狀測(cè)量技術(shù)的研究十分重要。本文綜述了目前非球面元件表面形狀測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并探討了該領(lǐng)域存在的問題。盡管已經(jīng)有各種測(cè)量方法得到廣泛研究和應(yīng)用，但在找到合適的測(cè)量方法的同時(shí)，還應(yīng)注意運(yùn)動(dòng)誤差、數(shù)據(jù)后處理和可重復(fù)性等問題，不斷提高測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性和精度。未來，應(yīng)聚焦于完善非球面元件表面形狀測(cè)量技術(shù)，為高科技設(shè)備的制造和研究提供更為可靠的技術(shù)支持大口徑非球面表面形狀測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究2大口徑非球面表面形狀測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，大口徑非球面光學(xué)元件在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。然而，由于其復(fù)雜的幾何形狀和曲率變化，非球面表面形狀的測(cè)量一直是光學(xué)工程領(lǐng)域中的難點(diǎn)。本文著重介紹了大口徑非球面表面形狀測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括相位測(cè)量干涉法、平差法和運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量法。結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行分析，探討了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，為大口徑非球面表面形狀的測(cè)量提供了參考。

關(guān)鍵詞：大口徑、非球面、表面形狀測(cè)量、相位測(cè)量干涉法、平差法、運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量法

1.引言

光學(xué)元件是光學(xué)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，而非球面光學(xué)元件由于其復(fù)雜的幾何形狀和曲率變化，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中，如望遠(yuǎn)鏡、攝影鏡頭、激光器等領(lǐng)域。非球面表面形狀的測(cè)量是非球面光學(xué)元件制造中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，其精度直接影響到非球面光學(xué)元件的光學(xué)性能和成本。目前，國際上常用的非球面表面形狀測(cè)量方法主要包括相位測(cè)量干涉法、平差法和運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量法，其中各種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

2.相位測(cè)量干涉法

相位測(cè)量干涉法（PhaseMeasuringInterferometry，PMI）是目前測(cè)量大口徑非球面表面形狀最常用的方法之一。該方法通過相干光干涉實(shí)現(xiàn)表面形狀的高精度測(cè)量，測(cè)量精度可以達(dá)到毫微米級(jí)別。相位測(cè)量干涉法主要包括兩種類型：兩面反射法和透射法。

（1）兩面反射法

兩面反射法的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，光源發(fā)出的激光束經(jīng)過鉬靶反射后被分成兩束，一束射向非球面待測(cè)物表面，另一束從參考面反射后再射回非球面待測(cè)物表面，經(jīng)過反射后兩束激光再次匯合，產(chǎn)生光干涉條紋。利用相位測(cè)量技術(shù)可以獲得表面形狀參數(shù)。

（2）透射法

透射法的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，光源發(fā)出的激光束經(jīng)過衍射光纖、光柵和透鏡后射向非球面待測(cè)物表面，在通過表面后產(chǎn)生光干涉條紋。利用相位測(cè)量技術(shù)可以獲得表面形狀參數(shù)。

圖1兩面反射法實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2透射法實(shí)驗(yàn)裝置圖

相位測(cè)量干涉法的主要優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量精度高、適用范圍廣，但由于對(duì)光源的要求比較高，測(cè)量精度會(huì)受到干擾因素的影響，如環(huán)境振動(dòng)、氣體折射率的變化等，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行控制。

3.平差法

平差法是一種利用平差原理進(jìn)行非球面表面形狀測(cè)量的方法。該方法通過測(cè)量多條不同方向的點(diǎn)線距離，并利用平差原理求解待測(cè)物表面的曲率半徑和形狀參數(shù)。平差法主要包括擺臂平差法和多點(diǎn)平差法兩種類型。

（1）擺臂平差法

擺臂平差法是利用擺臂儀進(jìn)行測(cè)量的方法。待測(cè)物與擺臂儀構(gòu)成一個(gè)封閉的測(cè)量系統(tǒng)，通過測(cè)量振動(dòng)周期和長(zhǎng)度變化，推算出待測(cè)物表面的曲率半徑和形狀參數(shù)。擺臂平差法的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量時(shí)不受環(huán)境因素的影響，適用于透明和不透明物體，但測(cè)量精度受到擺臂儀自身精度和測(cè)量間距的影響。

（2）多點(diǎn)平差法

多點(diǎn)平差法是利用測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量的方法。待測(cè)物表面設(shè)有若干個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)到測(cè)頭的距離差，利用平差原理求解待測(cè)物表面的曲率半徑和形狀參數(shù)。多點(diǎn)平差法的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量精度高，但對(duì)于大尺寸的非球面元件，在測(cè)量時(shí)需要對(duì)測(cè)量點(diǎn)的分布進(jìn)行研究，以提高測(cè)量精度。

4.運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量法

運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量法是通過測(cè)量待測(cè)物表面在坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，推算其曲率半徑和形狀參數(shù)的一種方法。運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量法主要包括離心力法和偽隨機(jī)運(yùn)動(dòng)法兩種類型。

（1）離心力法

離心力法是通過將待測(cè)物旋轉(zhuǎn)在離心機(jī)內(nèi)，測(cè)量其表面在離心力作用下的變形，推算出其曲率半徑和形狀參數(shù)的一種方法。離心力法的主要優(yōu)點(diǎn)在于可以測(cè)量大尺寸的非球面元件，但測(cè)量過程中需本文介紹了非球面元件曲率半徑和形狀參數(shù)的三種測(cè)量方法：干涉測(cè)量法、平差法和運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量法。干涉測(cè)量法是最常用、最成熟的一種方法，具有高精度、可靠性和非接觸性等優(yōu)點(diǎn)，在各種工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。平差法分為擺臂平差法和多點(diǎn)平差法，分別適用于擺臂儀和測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量的場(chǎng)合，具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量法是通過測(cè)量待測(cè)物表面在坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)推算其曲率半徑和形狀參數(shù)的方法，適用于大尺寸的非球面元件。不同的測(cè)量方法各有特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)需求和條件選用合適的方法進(jìn)行測(cè)量大口徑非球面表面形狀測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究3大口徑非球面表面形狀測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

隨著科技的發(fā)展，大口徑非球面光學(xué)元件在現(xiàn)代光學(xué)儀器中得到廣泛應(yīng)用。大口徑非球面光學(xué)元件是由非球面透鏡、非球面棱鏡、非球面反射鏡等組成，它們廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器、遙感測(cè)量、精密加工等領(lǐng)域。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，如何精確測(cè)量大口徑非球面元件的表面形狀成為了一個(gè)難題，這直接影響到光學(xué)元件制造的精度和可靠性。本文將從幾個(gè)方面來探討大口徑非球面表面形狀測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。

第一，測(cè)量?jī)x器的選擇。目前市場(chǎng)上測(cè)量大口徑非球面表面的儀器有很多種，常見的有三次元數(shù)字化掃描測(cè)量?jī)x、條紋投影測(cè)量?jī)x和干涉儀。三次元數(shù)字化掃描測(cè)量?jī)x主要是通過激光掃描來測(cè)量光學(xué)元件表面形狀的方法，但它的使用成本比較高，并且精度受到了許多因素的影響。條紋投影測(cè)量?jī)x是通過在被測(cè)物體上投射一系列條紋進(jìn)行測(cè)量的方法，然后再通過計(jì)算機(jī)處理得出被測(cè)物體表面的數(shù)據(jù)。但它需要大量的計(jì)算資源和高速圖像采集設(shè)備，對(duì)于一些要求高速、高精度的測(cè)量工作而言成本也較高。因此干涉儀作為測(cè)量大口徑非球面表面形狀的主要方法，具有測(cè)量精度高、自動(dòng)化程度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

第二，測(cè)量方法的選擇。常用的測(cè)量方法有單點(diǎn)測(cè)量、多點(diǎn)測(cè)量和全息測(cè)量。單點(diǎn)測(cè)量法采用支持輪廓儀、電子計(jì)量?jī)x、電子測(cè)距儀等設(shè)備來獲取物體的尺寸、位置等信息，并結(jié)合相應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算出物體表面形狀。這種方法適用于對(duì)于小面積的表面測(cè)量，但對(duì)于大面積的表面測(cè)量會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。多點(diǎn)測(cè)量法則通過在被測(cè)物體上標(biāo)記一系列點(diǎn)，用支持輪廓儀、電子計(jì)量?jī)x等設(shè)備進(jìn)行逐個(gè)測(cè)量，最后通過計(jì)算機(jī)處理得出整個(gè)被測(cè)物體的表面形狀。多點(diǎn)測(cè)量法具有測(cè)量面積大的優(yōu)點(diǎn)，比單點(diǎn)測(cè)量法測(cè)量精度更高，但是其測(cè)量的精度還會(huì)受到設(shè)備精度和測(cè)量點(diǎn)的分布方式影響。全息測(cè)量法則通過利用光干涉技術(shù)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行全息記錄，并通過相應(yīng)的處理方法獲取被測(cè)物體表面形狀信息，它具有具有高精度、多目標(biāo)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但需要較高的技術(shù)水平和設(shè)備投入成本。

第三，去除誤差的方法。對(duì)于干涉儀測(cè)量得到的大口徑非球面表面數(shù)據(jù)，首先需要進(jìn)行去除誤差的處理，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。去除誤差可以通過基線修正、震蕩分離、波形擬合、小波去噪等方法進(jìn)行。其中基線修正和震蕩分離是干涉儀測(cè)量過程中避免及去除誤差的常用方法?；€修正法是基于常數(shù)的原理，在測(cè)量時(shí)先間隔一段距離獲取一組基準(zhǔn)點(diǎn)位置，并對(duì)其基線進(jìn)行修正，以消除誤差；震蕩分離則是通過將所有測(cè)量點(diǎn)精心布置在整個(gè)物體表面，以避免某些特殊區(qū)域因震蕩導(dǎo)致測(cè)量誤差。另外，波形擬合和小波去噪等方法則是針對(duì)干涉儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理的方法，以提高數(shù)據(jù)的精度。

綜上所述，大口徑非球面表面形狀測(cè)量是光學(xué)制造中至關(guān)重要的一項(xiàng)工作，精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果是制造高精度光學(xué)元件的基礎(chǔ)。在大口徑非球面表面形狀測(cè)量過程中，測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法和誤差去除都是關(guān)鍵技術(shù)，只有充分了解這些技術(shù)