面向光学反射镜的非接触面形测量关键技术研究

发布时间：2019-11-23 04:57

【摘要】：基于非球面、自由曲面的光学反射镜是光学系统中不可或缺的元件,由其构成的光学系统具有结构简单、系统体积小、能量透过率高、成像质量高等特点,因而广泛应用于大型天文望远镜、空间遥感、复杂自由曲面制造以及精密工程等领域。大口径、非球面(离轴非球面)、自由曲面型反射镜的高效加工一直是光学领域的瓶颈问题,随着计算机控制局部磨抛等先进光学制造技术的发展,光学车间基本形成了固定的铣磨、研磨、抛光的三段式确定性加工模式,只要测量精度足够高,确定性研抛就能加工出相应精度的光学反射镜,而测量技术的短板,特别是铣磨到研磨过渡阶段测量手段的缺乏,严重影响到光学反射镜的加工效率。坐标式扫描测量通用性广,适用于面形误差较大和表面较粗糙时使用,是最有希望衔接铣磨到研磨过渡的面形测量方式,而现有的坐标式测量技术存在诸多缺点:1)接触式坐标测量设备存在效率低的问题,而采用非接触探头的坐标式面形测量设备受限于探头的量程和精度,如何实现非接触探头的高精度大量程测量?2)传统坐标式测量设备采用栅格扫描的方式,扫描效率过低,而采用螺旋扫描测量能够明显提高测量效率,但如何解决螺旋扫描测量时探头与主轴旋转中心的对中问题?3)传统CMM在测量工件边缘时存在测量不准的缺点,在测量异形工件时存在探头轨迹复杂的问题,如何解决异形工件的全口径测量?4)反射镜的表面疵病测量意义重大,但目前仍旧依赖人工或专用设备检测,而几乎所有的面形测量设备都不具备表面疵病测量功能,如何实现面形测量和表面疵病测量在同一台设备上同时测量?本文的研究工作将针对上述关键问题,提出了一系列具有工程意义的方法和关键技术,开发了具有自主技术的非接触坐标式面形测量系统。论文的研究内容一共分为六章:第一章:介绍了光学反射镜的面形测量研究背景,介绍了光学反射镜的应用前景和面形测量的基础理论。概括了目前常用的可用于光学反射面测量的各种方法,并概述了各自的优缺点,指出了目前反射面测量所面临的技术难题和测量要求。简述了针对非接触坐标扫描式面形测量技术的发展状况,对比了我国与国外先进技术的差距,并指出现有相关技术的不足之处。最后概述了本文的主要研究内容和意义。第二章:针对目前高精度探头均存在量程低、无法测量PV值较大的面形的缺点,提出了基于音圈电机运动平台的自动聚焦式面形跟踪测量技术,为此本章从音圈电机运动平台的开发以及自动聚焦的实现提出了两种不同精度和跟踪速度的自动聚焦系统,即机械导轨式和气浮导轨式。详细介绍了机械导轨式从器件到系统的开发过程,包括音圈电机的设计制造、光栅尺细分器的设计、控制系统和系统调试策略等。介绍了气浮运动系统的优势和开发难点,重点解决了气浮导轨的装配技术,提出了一种低成本、易实现的装配技术,实现了比机械式系统更优的定位精度和更高的跟踪速度。提出了适用于同类系统的控制策略、调试策略以及性能评估方法。第三章:提出了一种新的面形测量系统,并系统介绍了直角坐标式面形跟踪测量样机的开发过程,包括坐标运动系统的设计、搭建以及控制,运动误差的测量及补偿方法,高精度面形测量系统的设计和开发,测量信号采集策略和抗干扰措施以及软件开发;样机搭建完成后,对分辨率、漂移、重复性等指标进行了测量。第四章:对于扫描式面形测量设备而言,螺旋扫描是扫描效率最高的方式,而实现螺旋扫描最大的难点在于扫描探头和主轴旋转中心的对中。本章提出了一种适用于所有螺旋扫描测量设备的探头对中方法,这种方法只需要使用一个倾斜的平面镜就能实现高效率、高精度的对中。本章详细说明了该方法的原理和操作步骤,并开展了系列实验验证了该方法的可行性,同时提出了一种对中误差的评估方法,实验证明在自主搭建的测量设备上的对中精度为10μm,在高精度气浮平台上的对中精度为1.7 μm,所需的操作时间仅为3min。第五章:论述了基于色散共焦位移传感器的反射镜全口径面形测量技术和表面疵病测量技术。首先介绍了色散共焦位移传感器的原理,研究了传感器输出的谱峰强度信号的工程意义,优化了面形测量系统的测量原理,提出了异形光学反射镜的全口径覆盖测量方法,并通过实验验证了方法的可行性。为了实现反射镜表面疵病测量,建立了色散共焦位移传感器的"陡度-位移-谱峰强度"的数学模型,提出了面形和表面疵病同时测量的方法,利用该方法成功实现了亚毫米级表面疵病的测量。第六章:归纳总结了论文的主要研究工作和创新点,并对今后的研究工作进行了展望。
【图文】：

图１－邋１过去四个世纪科来大口径天文望远镜的发展历程Ｗ逡逑

面向光学反射镜的非接触面形测量关键技术研究

图１－２ａ离轴王反系统，，ｂ离轴四反系统ＲＷ逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74

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