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非接触式光学自由曲面原位测量方法的研究

作　者: 李坡
导　师: 张效栋
学　校: 天津大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 光学自由曲面超精密加工非接触原位测量聚焦式
分类号: TG806
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 3次
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内容摘要

光学自由曲面元件的出现给光学技术的发展注入了新的活力，其不但简化了光学系统的结构，也使得成像质量得到了很好的改善，因此得到了广泛的应用。但随着光学自由曲面面形越来越复杂，要求的精度越来越高，它的生产一直是加工领域的一个难题，尤其是开发出适合的测量方案，来检测自由曲面元件加工的形貌误差更是难上加难。现有的测量手段多采用接触式探针做离线检测，虽然这种测量已经具有很高的精度，但由于测量后需二次装卡工件进行补偿加工，并且接触式对工件具有一定划伤性，这些都会为加工带来新的误差，所以不利于光学自由曲面的生产。本文开发了一种基于超精密车床为平台的非接触式原位测量方法。基于聚焦式激光测量方法设计开发了非接触式测头系统。主要的研究工作如下：1.利用聚焦误差信号检测原理，开发了聚焦式激光测头，通过设计有效的信号调理系统，保证了测量信号高精度的输出，同时，测头光路中复合了成像系统，辅助测头快速准确对正主轴中心；2.基于超精密车床平台，对整体原位测量方案进行了系统设计，分析了测头加工路径设计方法，并通过软件开发实现坐标位置和误差数据的同步采集，从而系统实现了对曲面面形和面形误差数据的高效测量；3.对于光学测头不能测量大曲率工件的缺点，采用了借助光学测头高精密旋转，实现了大曲率回转工件的法矢方向测量，从而消除曲率对测量的影响。通过实验验证，开发的聚焦式激光测头测量分辨力达20nm，不确定度在10nm以下，可对平面和大曲率回转曲面进行稳定可靠的测量，并实现了曲率变化小于10°双正弦自由曲面的原位测量。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-18
  1.1 光学自由曲面的发展概述  8-11
    1.1.1 光学自由曲面的概念简介  8-9
    1.1.2 光学自由曲面元件的超精密加工现状  9-11
  1.2 超精密测量技术发展综述  11-17
    1.2.1 测量方法的发展  11-15
    1.2.2 原位测量研究现状  15-17
  1.3 课题来源及主要研究内容  17-18
第二章聚焦式激光测头开发  18-33
  2.1 测头设计的基本原理  18-20
  2.2 测头系统设计  20-32
    2.2.1 光路设计  21-24
    2.2.2 光电转化元件  24-25
    2.2.3 信号调理系统  25-30
    2.2.4 信号采集软件模块  30-32
  2.3 本章小结  32-33
第三章原位测量关键技术  33-45
  3.1 原位测量方法  33-34
  3.2 测量路径设计  34-36
  3.3 大曲率曲面测量策略  36-38
  3.4 系统对正调试  38-41
  3.5 测量系统软件设计  41-44
    3.5.1 PMAC 位置坐标获取  42-43
    3.5.2 面形误差数据获取  43-44
  3.6 本章小结  44-45
第四章原位测量实验及验证  45-59
  4.1 测量系统搭建  45-46
  4.2 测量系统标定  46-51
    4.2.1 线性曲线标定与验证  46-50
    4.2.2 系统稳定性验证  50-51
  4.3 平面测量实验  51-53
  4.4 大曲率器件----标准球测量实验  53-56
  4.5 光学自由曲面原位测量实验  56-58
  4.6 本章小结  58-59
第五章总结和展望  59-61
  5.1 本文总结  59
  5.2 展望  59-61
参考文献  61-65
发表论文和参加科研情况说明  65-66
致谢  66

非接触式光学自由曲面原位测量方法的研究

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