基于角度扫描法的大口径非球面高精度测量方法研究

发布时间：2017-10-06 09:04

  本文关键词：基于角度扫描法的大口径非球面高精度测量方法研究

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【摘要】：非球面镜是十分重要的一种光学元件,被广泛应用在航天、航空、船舶、医学等各个领域。相比于球面镜,非球面镜的曲率半径不唯一、曲面形貌灵活,因而具有更多的应用优势。例如,非球面可以简化光学系统结构、减少系统重量、提高系统分辨率、改善成像质量等。然而,非球面检测,特别是大口径非球面检测,始终是光学测量领域的一大难题。对于小口径、非球面度较小的曲面,干涉式测量可以达到理想的检测精度;而对于大口径(或超大口径)非球面,干涉式测量将难以实现,接触式测量也会对镜片表面形成划伤。针对大口径非球面的测量难题,本论文提出了基于角度扫描法的大口径非球面高精度测量三维测量方法。角度扫描法的基本原理,是通过测量目标曲面各点的角度变化推导其曲率变化,再通过曲率值的数值积分计算出目标非球面的曲面形貌。具体开展了以下的研究内容:1.大口径非球面测量系统的总体方案设计。提出了面向200mm口径非球面的三维测量方案,完成了测量系统的结构设计;研究了系统中各部分结构的精度要求,并绘制了非球面测量系统的三维图纸;分析了非球面测量的主要流程,并制定了完成测量所需的操作步骤。2.大口径非球面测量的误差分析与补偿方法。分析了测量系统中不同来源的误差因素(包括随机误差与系统误差),计算了它们对于非球面测量的影响程度,确定了对测量精度影响最为严重的几种误差敏感因素;提出了针对上述敏感误差的一系列补偿方法,并计算了这些敏感因素在补偿后可以获得的测量不确定度;研究了敏感因素测量不确定度的传播,并在MATLAB中编写了用于计算系统不确定度传播的程序;最后通过蒙特卡洛仿真验证了该误差模型的正确性。3.大口径非球面的测量数据处理方法。应用了“同心扫描法”的方式来实现目标非球面的三维测量;提出了以空间柱坐标系来统一所有二维测量结果的数据处理方法,进而实现目标曲面由二维测量向三维测量的拓展;提出了通过LOESS非参数回归的算法来处理测量数据点云的数据处理方法;经多次蒙特卡洛仿真验证,本文所提出的测量数据处理方法稳定可靠,非球面面型RMS检测精度可达到λ/60(约10nm,λ=632.8nm),满足精度要求。
【关键词】：大口径非球面 误差分析 误差补偿方法 数据处理 检测精度
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 大.径非球面及其应用11-17
• 1.2 大.径非球面测量技术的国内外研究现状17-23
• 1.2.1 接触式测量17-18
• 1.2.2 非接触式测量18-23
• 1.3 目前存在的局限23
• 1.4 本文的主要内容23-24
• 第2章 基于角度扫描法的大口径非球面测量原理及总体设计24-52
• 2.1 角度测量的基本原理24-27
• 2.1.1 自准直仪的测量原理24-25
• 2.1.2 自准直仪量程扩大的方法25-27
• 2.2 基于角度扫描法的二维测量方法27-39
• 2.2.1 原始角度测量28-32
• 2.2.2 角度拼接32-35
• 2.2.3 数值积分35-37
• 2.2.4 平面点云回归37-39
• 2.3 基于角度扫描法的三维测量方法39-45
• 2.3.1 扫描方法的选择40-42
• 2.3.2 测量坐标系的统一42-44
• 2.3.3 空间点云回归44-45
• 2.4 测量系统的结构组成45-48
• 2.4.1 角度测量系统47
• 2.4.2 运动控制系统47
• 2.4.3 误差监测系统47-48
• 2.4.4 支承装调系统48
• 2.5 测量流程48-51
• 2.5.1 测量系统初始化48-49
• 2.5.2 二维曲线测量49-50
• 2.5.3 三维曲面测量50-51
• 2.6 本章小结51-52
• 第3章 测量系统的误差分析与补偿技术52-99
• 3.1 随机误差分析52-74
• 3.1.1 自准直仪的运动误差分析52-64
• 3.1.2 目标非球面的运动误差分析64-73
• 3.1.3 测量仪器的读数误差分析73-74
• 3.2 系统误差分析74-80
• 3.2.1 环境温度变化引起的误差75-76
• 3.2.2 近似计算引起的误差76
• 3.2.3 测量装置的安装误差76-80
• 3.3 测量系统的误差补偿方法80-98
• 3.3.1 自准直仪-1 的测量误差补偿80
• 3.3.2 自准直仪-1 的定位误差补偿80-81
• 3.3.3 自准直仪-1 的俯仰误差补偿81-82
• 3.3.4 目标曲面的径向跳动误差补偿82-84
• 3.3.5 目标非球面的角向摆动误差补偿84-86
• 3.3.6 自准直仪-1 的旋转角度测量86-88
• 3.3.7 自准直仪-1 的回转中心与目标曲面的距离测量88-98
• 3.4 本章小结98-99
• 第4章 测量系统的不确定度传播与蒙特卡洛仿真分析99-133
• 4.1 非球面测量系统的不确定度传播99-113
• 4.1.1 测量系统的敏感误差及其测量不确定度99-100
• 4.1.2 二维测量的不确定度传播100-110
• 4.1.3 三维测量的不确定度传播110-113
• 4.2 数据处理方法及蒙特卡洛仿真分析113-131
• 4.2.1 空间点云的处理方法114-116
• 4.2.2 蒙特卡洛仿真分析116-131
• 4.3 本章小结131-133
• 第5章 总结与展望133-136
• 5.1 论文的主要内容133-134
• 5.2 论文的创新点134
• 5.3 研究展望134-136
• 参考文献136-140
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单140-141
• 致谢141-142

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 刘惠兰,郝群,朱秋东,沙定国;利用部分补偿透镜进行非球面面形测量[J];北京理工大学学报;2004年07期

2 刘阳,唐罗生,李圣怡,吴琦,艾长双;快速逆向工程技术及其在产品开发中的应用[J];机械设计与制造;1999年01期

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本文编号：981885