小型光学非球面精密检测技术研究

论文摘要

在光学系统中采用非球面元件可以获得高成像质量,提高光学特性,简化系统结构,减小系统体积。一直以来,非球面元件制造难,检测技术更是非球面制造技术中的瓶颈,各国专家和学者投入大量的人力和物力全方位地研究非球面元件的加工和检测问题。本课题来源于国家863计划课题“0.1μm非接触传感器”、福建省“高等学校科技创新团队培育计划”(IRTSTFJ)和厦门大学重大科技创新项目“微纳米加工控制与检测系统研制”。根据小型非球面面形检测的需要,本文针对一种自行研制的具有接触式和非接触式传感器测头的非球面检测平台,完成了高精度非球面检测平台的搭建和测量软件设计。文中介绍了该检测平台的工作原理;完成了测量软件模块设计;对可能存在的系统误差逐项进行分析,建立了各项误差的数学模型,重点分析了这些误差产生原因以及减小误差的方法,并根据误差的类型分别提出了补偿方案。通过多次实验以及数据处理、分析,证明自行研制、安装和调试的非球面检测平台以及测量软件达到了设计的功能要求,经过各项误差补偿后的测量数据可以真实的反映被测元件的实际面形。该检测平台可满足实验室、光学加工车间对小型非球面光学元件精磨阶段面形的检测要求,其实用精度为±5μm。本文的研究成果将会大大提高中小型非球面镜的检测效率,降低非球面元件的检测成本,为小型非球面元件的广泛应用提供了有利的技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外发展概况
• 1.3 本课题的研究工作
• 第二章 光学非球面检测平台
• 2.1 非球面方程
• 2.1.1 轴对称非球面方程
• 2.1.2 非轴对称非球面方程
• 2.2 检测系统框架结构
• 2.2.1 测量目标
• 2.2.2 工作方式
• 2.3 光学非球面面形检测原理
• 2.3.1 接触式测量原理
• 2.3.2 非接触式测量原理
• 2.4 检测平台硬件结构
• 2.4.1 检测平台控制方案
• 2.4.2 主要部件的选型
• 2.5 检测平台部件连接
• 2.6 小结
• 第三章 光学非球面检测平台测量软件设计
• 3.1 软件开发平台
• 3.2 测量软件总体框架
• 3.2.1 系统数据流分析
• 3.2.2 软件总体框架
• 3.3 软件初始化功能
• 3.4 测量坐标系
• 3.4.1 坐标系的定义
• 3.4.2 坐标变换的数学模型
• 3.4.3 坐标系建立及坐标变换
• 3.5 测量数据采集功能
• 3.6 运动控制功能设计
• 3.6.1 手动操作
• 3.6.2 双PID调节
• 3.7 非球面检测平台检测模式
• 3.7.1 点位探测模式
• 3.7.2 连续扫描模式
• 3.8 非球面测量路径规划
• 3.8.1 测量路径的生成原则
• 3.8.2 轴对称非球面测量路径规划
• 3.8.3 非轴对称非球面测量路径规划
• 3.9 小结
• 第四章 控制系统定位误差分析与补偿
• 4.1 检测平台的定位精度
• 4.1.1 运动控制系统的定位精度
• 4.1.2 定位误差产生原因分析
• 4.2 误差处理算法
• 4.2.1 最小二乘法
• 4.2.2 多项式拟合
• 4.3 软件补偿实现
• 4.3.1 误差数据处理
• 4.3.2 补偿实验
• 4.4 结论
• 第五章 测量系统误差分析
• 5.1 测头误差
• 5.1.1 测量数学模型引入误差
• 5.1.2 测头精度引入的测头误差
• 5.2 坐标系变化引入偏移与偏角误差
• 5.2.1 偏移误差
• 5.2.2 偏角误差
• 5.3 测头偏离引入子午线截线误差
• 5.3.1 偏心距对测量的影响
• 5.3.2 轴对称非球面顶点确定
• 5.3.3 非轴对称非球面顶点确定
• 5.4 测量平台倾斜引入误差
• 5.5 测杆受力变形引入误差
• 5.6 小结
• 第六章 系统实验与结果分析
• 6.1 系统精度标定
• 6.1.1 标准球测量实验
• 6.1.2 接触式与非接触式测量随机误差对比试验
• 6.2 非球面工件测量实验
• 6.2.1 轴对称非球面测量
• 6.2.2 非轴对称非球面测量
• 6.3 小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文
• 附录