共焦扫描离散曲面轮廓提取算法研究及软件实现

发布时间：2017-05-15 09:13

  本文关键词：共焦扫描离散曲面轮廓提取算法研究及软件实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：为了满足现代光学系统越来越高的要求,光学元件的结构设计越来越丰富、面形精度越来越高,因此对光学元件的表面轮廓检测提出了更大的挑战。非球面基底衍射光学元件的出现及应用能够减小光学系统体积和重量,同时能够很好地校正像差,实现复杂光学系统的小型化、紧凑化,因此越来越被精密光学领域所重视,被应用于先进武器装备、天文观测、空间侦查等系统当中。非球面基底衍射光学元件的轮廓特点是口径大、表面不连续、宏观尺寸上叠加微观结构。能否实现对其进行高精度的测量,决定了该类元件是否可以进行大规模加工以及广泛使用,因对此类型光学元件进行高精度的大行程轮廓测量需求愈发迫切。本课题 共焦扫描离散曲面轮廓提取算法研究及软件实现‖,利用共焦扫描原理实现了对非球面基底衍射元件母线的二维轮廓测量和轮廓提取,重点研究了共焦扫描曲面基底台阶边缘判读方法以及曲面基底台阶高度计算方法,并编写了基于Lab VIEW平台的测量软件。完成的主要内容如下:(1)分析了非球面基底衍射元件母线轮廓的特点,并展开了共焦扫描曲面基底台阶边缘判据以及台阶高度计算方法的研究,提出了利用最大光强值判断台阶边缘位置以及用多项式回归计算台阶高度的方法;(2)进行了共焦扫描轮廓测量仪器的整体设计,设计了共焦扫描原理光路,完成了运动系统的方案设计及控制反馈系统与数据采集系统的硬件选型;(3)进行了基于Lab VIEW平台的系统软件编写工作,软件实现了非球面基底衍射元件测量、连续表面元件测量以及共焦三维成像扫描的功能;(4)进行了共焦扫描的单点测量能力和单点测量的重复性实验,该实验首先验证了三维共焦扫描测量的能力;其次验证了曲面基底台阶高度计算算法的准确性,与Taylor Hobson测量结果进行对比,结果表明台阶高度计算结果差值不超过50nm;最后验证了系统对红外非球面基底衍射元件以及非球面元件进行加工补偿的能力,结果表明通过本系统测量数据进行补偿能够使元件的最终加工表面轮廓误差PV值达到700nm以下。
【关键词】：共焦扫描 离散曲面 轮廓提取 测量软件
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-19
• 1.2.1 光学元件面形测量方法现状10-14
• 1.2.2 轮廓提取方法研究现状14-17
• 1.2.3 平面基底台阶高度评价方法现状17-19
• 1.3 课题主要研究内容19-20
• 第2章 离散曲面轮廓提取算法研究20-35
• 2.1 引言20
• 2.2 非球面基底衍射光学元件轮廓特征分析20-24
• 2.2.1 非球面元件轮廓特征介绍20-21
• 2.2.2 衍射元件轮廓特征介绍21-24
• 2.3 共焦扫描曲面基底台阶响应24-29
• 2.3.1 共焦扫描原理24-25
• 2.3.2 共焦测量曲面基底台阶响应25-29
• 2.4 台阶高度计算方法研究29-34
• 2.4.1 双多项式作差方法29-30
• 2.4.2 单多项式回归方法30-33
• 2.4.3 平面台阶转化方法33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 离散曲面轮廓测量系统实现35-44
• 3.1 引言35
• 3.2 系统整体结构设计思路35-36
• 3.3 系统光学传感测头设计36-37
• 3.4 主要运动系统实现37-43
• 3.4.1 X轴运动支撑与驱动方式选择37-39
• 3.4.2 Z轴运动支撑与驱动方式选择39-40
• 3.4.3 运动控制与位置反馈系统硬件选型40-42
• 3.4.4 数据输出采集系统硬件选型42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 离散曲面测量系统软件设计44-57
• 4.1 引言44
• 4.2 系统软件整体功能及方案设计44-46
• 4.3 二维轮廓测量模块46-49
• 4.3.1 手动对心模块46-47
• 4.3.2 预扫描模块47-48
• 4.3.3 衍射元件环带位置确定模块48-49
• 4.4 轮廓测量数据处理模块49-54
• 4.4.1 数据倾斜平移校正50-51
• 4.4.2 台阶高度计算与轮廓提取模块51-53
• 4.4.3 报表生成模块53-54
• 4.5 3D扫描成像模块54-55
• 4.5.1 三维数据测量54-55
• 4.5.2 数据处理与显示模块55
• 4.6 本章小结55-57
• 第5章 实验结果及分析57-68
• 5.1 引言57
• 5.2 三维扫描测量实验57-61
• 5.2.1 平面镜测试57-59
• 5.2.2 曲面基底台阶样品测量实验59-61
• 5.3 曲面台阶高度计算验证61-63
• 5.3.1 台阶高度算法仿真分析61-62
• 5.3.2 台阶高度算法实际测量实验对比62-63
• 5.4 非球面及非球面基底衍射元件轮廓测量实验63-67
• 5.4.1 非球面轮廓测量及加工补偿实验63-65
• 5.4.2 非球面基底衍射元件轮廓测量及加工补偿实验65-67
• 5.5 本章小结67-68
• 结论68-69
• 参考文献69-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 赵勇,胡涛,李鹏生,浦昭邦;用于复杂轮廓表面数字化光纤测量系统(Ⅰ):关键技术[J];光电子·激光;2001年05期

2 梁嵘,李达成,曹芒,赵洪志,武勇军;在线测量表面粗糙度的共光路激光外差干涉仪[J];光学学报;1999年07期

3 李炜,黄心汉,王敏,陈黎;基于二维高斯曲面拟合的图像灰度补偿算法[J];华中科技大学学报(自然科学版);2004年02期

4 林德教,柳忠尧,张蕊,殷纯永,徐毅;双频干涉共焦台阶高度测量系统[J];中国激光;2003年11期

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1 王建明;三坐标轮廓测量仪检测非球面研究[D];苏州大学;2013年

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本文编号：367357