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激光与光电子学进展 2023年第7期60卷 299-304页

作者：李煜张宗华高楠孟召宗李梓榆王张颖河北工业大学机械工程学院天津300130 哈德斯菲尔德大学精密技术中心英国西约克郡HD13DH

提出了一种基于远心镜头与曲面屏的非连续镜面三维形貌测量新方法,在增加大曲率镜面成像范围的同时,提高了三维数据的测量精度。首先,在显示屏上显示标准正弦条纹图,相机分别记录经由平面参考镜和被测镜面反射的正弦条纹图像。然后,利... 详细信息

提出了一种基于远心镜头与曲面屏的非连续镜面三维形貌测量新方法,在增加大曲率镜面成像范围的同时,提高了三维数据的测量精度。首先,在显示屏上显示标准正弦条纹图,相机分别记录经由平面参考镜和被测镜面反射的正弦条纹图像。然后,利用四步相移法和最佳三条纹选择法得到对应的相位分布值。接着,与平面参考镜比较,得到经由被测镜面物体表面调制后的相位变化。根据所建立的数学模型,推导相位与深度间对应关系,并对其系统参数进行标定。最后,对大曲率镜面和非连续镜面标准台阶进行了测量,验证了该方法的精度和有效性。

关键词：测量远心镜头曲面屏相位测量偏折术光学面形测量

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采用光学定位跟踪技术的三维数据拼接方法

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光学精密工程 2009年第1期17卷 45-51页

作者：韩建栋吕乃光王锋娄小平祝连庆北京邮电大学电子工程学院北京100876 北京信息科技大学光电信息与通信工程学院北京100192

为了实现大型自由曲面的三维面型测量,提出了采用光学定位跟踪技术的数据拼接方法。平面靶标作为中介,固定在测量系统上,靶标上的特征点在测量坐标系中的坐标通过中介坐标转换法获得。利用双目立体视觉构建跟踪定位系统,并以跟踪坐标系... 详细信息

为了实现大型自由曲面的三维面型测量,提出了采用光学定位跟踪技术的数据拼接方法。平面靶标作为中介,固定在测量系统上,靶标上的特征点在测量坐标系中的坐标通过中介坐标转换法获得。利用双目立体视觉构建跟踪定位系统,并以跟踪坐标系为全局坐标系,获取平面靶标上特征点的三维全局坐标,求得测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵。将测量传感器在不同位置下所测的各子区域的三维数据统一到全局坐标系下,完成大型自由曲面的全局测量。实验结果表明:单次测量精度为0.11 mm;对10 cm×10 cm的平面靶标上100个点进行两次测量,拼接均方误差为0.34mm。该方法操作简单、可行,并可满足要求。

关键词：光学面形测量数据拼接光学跟踪结构光四元数法

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光学非球面多方法组合测量技术研究

光学非球面多方法组合测量技术研究

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作者：李业鹏国防科学技术大学

学位级别：硕士

惯性约束聚变、深空观测探索、对地高分观察等大型光学项目的迫切需求和快速发展促进了大口径复杂光学非球面镜的广泛应用,面形误差作为决定光学成像质量的关键因素,其测量准确性也决定了项目的成败。尽管面形测量方法逐渐发展丰富并各... 详细信息

惯性约束聚变、深空观测探索、对地高分观察等大型光学项目的迫切需求和快速发展促进了大口径复杂光学非球面镜的广泛应用,面形误差作为决定光学成像质量的关键因素,其测量准确性也决定了项目的成败。尽管面形测量方法逐渐发展丰富并各具特色,但每种方法仍有局限,单一方法的测量结果不足以说明问题。采用多种方法对测量结果进行互检验证,并针对被测对象的特点实施测量方法间的优势互补,是一种可行的思路。本文以大口径高次凸非球面为研究对象,采用适用性较广的全口径正面补偿检验,背面透过补偿检验和子孔径拼接等方法实现面形的多方法检测,研究了面形的匹配分析与量化评价方法,以提高测量结果的可信度。论文研究内容主要包括4个方面:1.背面透过补偿检验的光学设计与实现。根据被测面形背面透过成像特点,设计单块补偿透镜实现检验,首先分析确定了补偿器的加工公差,然后利用干涉仪、球径仪等设备对补偿器的面形和中心厚度等参数进行了检测,通过基于短相干原理的间隙仪控制装调距离实现了光路的精细装调;最后对误差因素进行了全面分析,估计了设备测量精度以及材料误差对测量结果的影响,并利用Zernike多项式拟合方法分离了面形制造偏差的影响。2.可变补偿拼接测量装置的改进与装调测量。根据测量原理和装调方法对可变补偿拼接测量系统的装调自由度进行需求分解,为各自由度设计独立对应的调整装置。设计三环调整装置,实现可变补偿CGH相位板的四维调整,光轴方向紧凑、通光孔径大等优势明显。补充设计完善了可变补偿装置转台、被测镜的装调自由度,装调效果和效率得到了检验。3.正面补偿检验的设计与分析。设计了大口径非球面补偿器对凸非球面镜进行正面补偿检验,其自身参数通过Offner补偿器校验,该方法适用于不透光材料的凸非球面反射镜。在补偿检测和校验光路中非球面补偿器具有同光路特性,避免了大口径光学材料的均匀性对像差的不利影响,并对测量误差进行了分析。4.多方法互检和量化评价方法研究。采用MATLAB优化工具箱实现多种方法测量面形的空间旋转、平移和比例缩放7自由度配准,利用图像结构相似性指数研究测量一致性量化评价方法。同时尝试了利用贝叶斯分析改善确定测量不确定度。

关键词：光学面形测量互检凸非球面补偿检验面形匹配

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非球面的近零位子孔径拼接测量技术研究

非球面的近零位子孔径拼接测量技术研究

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作者：宋兵国防科学技术大学

学位级别：硕士

大口径凸非球面在大型望远镜、光刻物镜、惯性约束聚变等光学系统中的应用越来越多,其口径和面形误差直接决定了光学成像质量,是影响系统性能的重要元件。现代确定性光学加工技术的根本前提是面形误差的准确定量检测,而以补偿检验为代... 详细信息

大口径凸非球面在大型望远镜、光刻物镜、惯性约束聚变等光学系统中的应用越来越多,其口径和面形误差直接决定了光学成像质量,是影响系统性能的重要元件。现代确定性光学加工技术的根本前提是面形误差的准确定量检测,而以补偿检验为代表的传统方法,存在测量口径受限、像差补偿能力不足或精度不高等技术瓶颈,严重制约其制造水平的提升。论文创新提出基于双回转相位板的近零位补偿与子孔径拼接相结合的方法,突破传统补偿法的口径受限和子孔径拼接法的可测非球面度受限的难题,利用双回转相位板产生可变的像差,可灵活补偿不同形状的凸非球面子孔径的大部分像差,达到近零位测试条件,具有结构紧凑、调整自由度少、易于对准、无圆形孔径畸变等突出优点。论文的研究工作主要包括:1根据双回转相位板工作原理,计算凸非球面上各离轴子孔径的剩余像差系数,完成相位板相位函数的计算;同时加以辅助对准图样和载频,得到相位板的设计结果,并通过仿真验证该近零位补偿器对不同非球面的面形适应性。分析相位板失调引入的波前像差,据此设计相位板的多自由度装调机构,同时考虑补偿器与干涉仪和被测镜部分的装调工艺。2搭建光学非球面的近零位子孔径拼接工作站。分析拼接工作站的运动链,完成了正向和逆向运动学分析;通过理论计算与仿真,验证被测镜在设计的装夹状态下受到重力变形的影响很小;通过Zemax软件仿真得到被测镜的调整公差范围,完成了被测镜姿态调整的双转台结构设计。在已有的非零位子孔径拼接工作站的基础上完成了近零位子孔径拼接工作站的改造设计与安装调试。3以有效口径320mm的高次凸非球面镜为例,完成了凸非球面的近零位子孔径拼接实验。通过光学追迹和凸包算法确定子孔径的重叠区域和重叠数据点对,利用一阶近似建立子孔径失调与像差的数学关联,根据重叠区域面形误差一致性原则建立近零位子孔径拼接的数学模型,利用最小二乘法分离子孔径失调引入的像差以及近零位补偿后的剩余像差,得到全口径面形误差。同时对该高次凸非球面进行了三坐标测量和非零位子孔径拼接测量,并与近零位拼接测量结果相比较,初步验证了近零位子孔径拼接测量的有效性和优越性。

关键词：光学面形测量凸非球面双回转相位板近零位补偿器子孔径拼接

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