大口徑非球面數字刀口儀測試技術研究.pdf

1、隨著非球面光學元件加工工藝的不斷改進，非球面光學元件已在航空、航天、天文望遠鏡、軍事、民用等各個領域得到廣泛應用。光學檢測和光學加工一直以來都是光學工業(yè)發(fā)展的兩大課題，隨著高精度數控機床等現代非球面加工工藝的發(fā)展，非球面光學元件的加工精度得到不斷提升，為了適應非球面光學元件的加工現狀，研究工作者發(fā)展了許多非球面光學元件檢測的新技術和新方法。
　　 現有的非球面光學元件檢測方法主要有干涉法、輪廓法、計算全息法、哈特曼法以及刀口法等

2、，但都存在著各自不同的局限性，沒有完全解決非球面光學元件面形檢測問題。本論文在綜合分析各種非球面光學元件面形測量方法的基礎上，著重研究了數字化刀口儀對大口徑非球面光學元件的面形進行定量檢測技術和方法。
　　 刀口儀具有靈敏度高、直觀性強、操作方便、簡單靈活、成本低、環(huán)境適用性強等特點，非常適合檢驗大口徑長焦距光學元件的面形。數字刀口儀具有刀口儀的優(yōu)點，并結合計算機技術以及數字圖像處理技術對刀口儀進行數字化，是非球面光學元件面形檢

3、測的發(fā)展方向之一。
　　 本論文研究大口徑非球面光學元件面形的數字刀口儀定量檢測技術和檢測方法，通過理論分析和實驗研究解決了以下關鍵問題。
　　 ①根據刀口檢驗原理，構建了數字刀口儀光學元件面形檢測裝置。研究和介紹了數字刀口儀光路、結構以及軟件等實現方法和設計方案，具體內容包括數字刀口儀光源設計和光源的結構安排、刀口結構設計以及三維移動平臺的設計、圖像接收器件CCD的選擇以及性能分析、刀口定量分析計算軟件設計以及軟件流程

4、等。
　　 ②研究了數字刀口儀定量計算的理論基礎。建立了刀口切割光斑過程中，灰度值變化的數學模型，并依據該數學規(guī)律建立了數據擬合的幾何模型。分別用函數逼近、最小二乘法、分割數據法等數據擬合方法對CCD像面上的每一個像素的灰度變化規(guī)律進行擬合，得到暗閾值對應的刀口位置，從而得到了被測光學元件表面由于面形差造成的自準直光線偏離理想焦點位置的偏離值，這是實現數字刀口儀光學元件面形定量檢測的基礎和關鍵。其中，分割數據法進行擬合具有運算量

5、小、精度高等優(yōu)點，降低了數字刀口儀處理軟件的運算復雜度和時間復雜度。
　　 ③利用VC++環(huán)境開發(fā)了數字刀口儀定量計算分析軟件，該軟件可對刀口切割過程進行控制，具有圖像采集、處理和存儲功能，最后根據刀口切割過程中CCD像素上每一個灰度值的變化規(guī)律，進行數據分析、擬合和計算，實現了被測光學元件的面形重構，計算出被測光學元件的PV值和R_MS值，同時繪制出被測光學元件的二維和三維面形圖。此外，軟件還具有圖像回放功能，可對切割過程中灰

6、度變化的情況進行回放，從而能夠更直觀的觀察被測光學元件的面形變化情況。
　　 ④利用數字刀口儀光學元件面形檢測裝置對大口徑長焦距的球面、拋物面等光學元件的面形進行了定量檢測，給出了檢測結果。同時，將數字刀口儀測量結果與干涉儀測量結果相比較，測量結果的一致性為0.0μm，從而證明了本課題研制的數字刀口儀的正確性和有效性。
　　 ⑤對數字刀口儀面形定量檢測的結果進行了詳細的不確定度分析，給出提高測量精度的主要技術。