高精度共焦自准直中心偏测量装置

研制了一种基于共焦轴向层析定焦、自准直横向定焦的共焦自准直中心偏测量装置。利用共焦探测模块对被测球面镜的球心和顶点位置进行定焦,从而测得被测球面镜的曲率半径;利用光路自准直方法探测被测镜旋转过程中反射光在探测面上的路径获得被测镜的偏心量,结合偏心量和曲率半径计算得出中心偏。与传统中心偏测量装置相比,所提测量装置可以同时测得曲率半径和中心偏,避免了重复装卡引入的测量误差,有效地提高了测量精度、简化了测量过程、降低了测量成本。实验结果表明测量装置的中心偏重复测量不确定度可达0.065″。     

光学表面长曲率半径的测定

一、前言测定球面透镜和反射镜表面曲率半径的方法很多,如采用球径仪的机械法、自准显微镜、刀口仪的自准法及各种干涉法等。球径仪只在曲率半径较小时(例如在1米以内)有较高的精度,自准显微镜也因仪器结构、被测镜孔径的限制,大多只能测量1米以内的曲率半径,而且几乎都只测凹面。刀口仪是测量长曲率半径的最佳方法之一,但只能测凹面。自准前置镜法可以测量长曲率半径,但精度太低。     

大口径球面反射镜曲率半径的精确测量

介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法,提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型,调整干涉仪与被测镜的位置,使被测镜达到零条纹干涉状态,然后架设合理长度组合测杆,调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置,使之达到零条纹干涉状态,再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量,通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析,并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量,测得其曲率半径均值为2 836.774 mm,标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析,找出了影响测量精度的主要因素,合成标准不确定度为0.061 mm。     

大口径球面反射镜曲率半径的精确测量

介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法,提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型,调整干涉仪与被测镜的位置,使被测镜达到零条纹干涉状态,然后架设合理长度组合测杆,调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置,使之达到零条纹干涉状态,再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量,通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析,并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量,测得其曲率半径均值为2 836.774 mm,标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析,找出了影响测量精度的主要因素,合成标准不确定度为0.061 mm。     

光栅尺测长式激光差动共焦曲率半径测量系统

为了增强高精度曲率半径测量仪器的抗环境干扰能力,满足现场使用需求,研制了一套基于光栅尺测长的激光差动共焦曲率半径测量系统。该系统利用差动共焦轴向光强响应曲线的过零点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,对被测样品的猫眼位置及共焦位置进行精确瞄准定位,并借助光栅尺测长得到透镜猫眼位置与共焦位置之间的距离,实现曲率半径的测量。实验表明,该系统相对测量精度优于510-6,满足高精度曲率半径测量的精度需求。     

亚微米高精度曲率半径测量及其不确定度分析

针对高精度光学系统的需求,利用立式Fizeau型干涉仪,结合双频激光测长干涉仪,实现了亚微米量级的高精度曲率半径的测量。为了验证该测量系统的可靠性,分别使用两个参考镜对一系列不同曲率半径的光学零件进行了检测。对产生测量误差的主要因素进行了详细分析,以SiC小球为例,结合不确定度理论,得到测量结果的不确定度约为0.13μm(假设是正态分布,置信水平约为95%),证明该测量系统满足亚微米测量精度要求。通过三坐标测量机对同一元件的交叉检测,验证了该系统测量结果的准确性。     

镜面偏心测量光学系统设计及其杂光分析

为了解决现有镜面偏心测量设备存在的问题,本文研究了一种采用切换镜头和调焦相结合的方法来设计的镜面偏心测量光学系统,使用这个光学系统,既能使被测镜面的曲率半径扩展到-∞~+∞范围,又能保证测量精度。通过Lighttools软件对这个光学系统进行光线追迹,分析其杂光分布,结果表明:准直镜头内部多次反射产生的杂光强度很低,可以忽略。而当被测镜头中存在相邻球心像距的镜面时,产生的杂光强度比较大,在后续的图像处理过程中,必须增强目标图像的对比度。利用研制的镜面偏心测量设备进行测量实验,结果进一步验证了杂光分析的正确性。     

小口径长焦透镜的焦距检测技术

基于朗奇-泰伯效应及莫尔条纹技术,利用发散光和不等周期光栅的焦距测量方法被用于小口径长焦透镜的焦距测量。将一块曲率半径存在加工误差的平凹长焦透镜作为待测透镜进行焦距测量。在未知透镜真实曲率半径的情况下,首先计算待测透镜曲率半径误差对焦距检测精度的影响,并确定透镜在整个检测系统中的位置,然后进行透镜焦距实际测量,分别计算多组测量焦距值。通过对比发现,在未知待测透镜曲率半径的情况下,检测焦距的重复性、稳定性均一致,所测焦距均为33200～33270mm,且重复性精度高于±0.055%,测量精度优于焦深的1/5。结果充分说明,所提方法对小口径长焦透镜的焦距检测是可靠、有效的。     

基于光切法的曲面划痕深度测量技术

提出了一种基于光切法的曲面划痕测量方法,相对传统光切法,能有效地提高划痕测量的精度.对传统光切法测量存在的不足进行分析,对曲面上划痕的测量误差进行分析建模及仿真.结果表明,传统光切法对曲面上划痕的测量误差会随着曲率半径和划痕宽度的变化而变化.实验选取不同曲率半径的精密零部件,对其表面的划痕进行测量.发现当曲率半径越小,划痕宽度越大,传统光切法对划痕深度测量的误差越大,而用本文所提方法测量的结果精度越高,当曲率半径小于10mm,划痕宽度大于283μm时,利用该方法能减小超过1μm的测量误差.     

激光差动共焦曲率半径快速测量方法

针对大批量球面光学元件曲率半径的快速、高精度、非接触测量难题,提出一种基于差动共焦技术的批量元件曲率半径快速测量方法。先将一已知曲率半径的样件S₀在其共焦位置进行扫描定焦,获取其差动共焦曲线和线性段方程;依次装卡同批次被测元件S₁-S_n并无扫描地获得其离焦量;根据样件曲率半径和被测件离焦量换算出被测样品曲率半径。仿真和实验表明,精度可达12.2ppm,同时测量速度比传统式差动共焦曲率半径扫描系统提高59倍。方法仅需1次扫描和N次快速装卡即可实现N件球面元件曲率半径的快速、高精度、非接触式检测,为大批量球面元件的高效率、高精度加工检测提供全新途径。     

基于白光干涉的光学球面半径测量研究

光学球面曲率半径是决定光学球面光学特性的重要参量,通过测量光学球面的曲率半径，可以审核光学元件设计制造质量。在基于白光干涉理论基础上，将莫尔光栅位移测量系统及CCD数字图像采集处理系统集成到迈克尔逊干涉仪上，利用CCD数字图像处理技术，构建了光学球面曲率半径自动测量系统。该测量系统对于大曲率半径的光学球面测量精度较高；对于半径R＝71.2037mm的光学球面,其测量标准误差σR＝0.4723mm。实验结果表明：设计的光学球面自动测量系统可以对大曲率半径光学球面实现高精度测量。     

基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

调频连续波激光测距方法可以实现高精度的大尺寸绝对距离测量, 且测量过程无需合作目标, 在大空间坐标精密测量领域有很高的研究价值. 而如何提高测量分辨率和实用化一直是近年来调频连续波激光绝对测距研究的热点. 本文研究了调频连续波激光测距的原理, 基于双光路调频连续波激光测距系统, 提出了通过信号拼接提高测量分辨率的信号处理优化方案, 该方案可以提高测距分辨率, 且可以降低对激光器的性能要求; 提出了可实现高速测量的简易测量方法. 设计加工了双光路光纤调频连续波激光测距系统, 利用该系统进行了测距分辨率及测距误差标定实验, 实验结果表明: 优化方案可以有效地提高测量分辨率和测量效率, 在26 m测量范围内, 测距分辨率达到了50 μm, 测距误差不超过100 μm; 快速测量方案有较高实用价值.     

双波长绝对距离外差干涉仪的研究

提出了一种采用双纵模稳频激光器的新型绝对距离测量外差干涉仪。该干涉仪探测两个波长各自的外差信号, 通过测量两信号的相位差, 直接测量出合成波的小数级次。指出了两波长间的相互耦合对测量精度的影响, 提出了补偿方法, 在２５ ｍ 的测量范围取得了 １４０ μｍ 的测量精度。     

一种基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统

介绍了一个基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统。系统包括两个干涉仪:采用半导体激光器作为光源的定位干涉仪和测量位移的外差干涉仪。介绍了光源的选择,系统的设计以及信号的采集和处理方案。采用这套绝对测量系统,可以实现长度为2m以内的绝对距离测量,定位精度可以达到±0.5μm。     

一种精确测量光学球面曲率半径的方法

在简要总结各种检测光学球面曲率半径方法优缺点的基础上,提出了利用激光跟踪仪和激光干涉仪测量光学球面曲率半径的新方法。首先,通过激光跟踪仪精确定位测量干涉仪出射球面波前的焦点和待测球面镜的曲率中心点坐标,再调整待测球面镜与干涉仪的相对位置,使待测球面镜达到零条纹干涉状态,用激光跟踪仪测定此时待测球面镜上多点的位置坐标,通过计算分析即可得到待测球面镜的曲率半径。研究和分析了这种测量光学球面曲率半径方法的基本原理,并提出了针对凸球面镜曲率半径的多区域测定平均综合优化的方法。结合实例对一口径为400mm的球面透镜进行了曲率半径的测量,测量得到其两面曲率半径分别为1022.283mm(凸面)和4069.568mm(凹面),并将该透镜进行了轮廓法测量对比,其相对误差都小于0.05%。     

静力水准系统用于基准高差测量的研究

为了拓展静力水准系统（HLS）在粒子加速器准直测量工作中的应用,开展了针对HLS系统用于多点间基于水平面的基准高差测量的实现方法的研究。基于传感器工作原理,设计并搭建了一套由双频激光干涉仪、高精度位移平台、HLS传感器等组成的比对系统,利用该系统控制多传感器在同一坐标系下观测同一液位。通过比对获得多传感器间基于底部坐标系的零位高度差,实现了多个传感器坐标系间相对于水平面的高差值测量,并验证了高差测量精度优于5 μm。除此之外,通过在HLS传感器上方安装靶座,使用三坐标测量机(CMM)严格标定各传感器电极板至靶球球心的距离,实现了多靶球球心位置基于水平面的高差值测量,并验证了其测量精度优于30 μm。     

光纤干涉测距中光程定位的研究

提出一种由定位干涉仪和测量干涉仪组成的光纤干涉绝对距离测量方法;并用标准长度光纤实现光程倍增以增大测量范围;重点讨论了用脉冲电流调制的准单色光源实现光程定位的方法及其精度。通过理论分析和仿真实验,定位重复性误差优于±1μm。     

同步辐射压弯准直镜姿态的检测--大曲率半径小口径光斑的波前检测

提出了利用微小楔角剪切干涉仪测量同步辐射压弯准直镜姿态的方法。利用透镜和针孔产生与同步辐射发散度相同的激光束。通过剪切干涉仪．测量经压弯准直镜输出激光束的平行度,可将准直镜的位置、俯仰角度和镜面曲率皆调整到最佳。该剪切干涉仪结构简单,可根据条纹图样判断光束的平行度,每一幅干涉条纹图样与准直镜的一种姿态对应,因而这种方法能确定准直镜表面各点反射X射线的整体效果。该方法适用于测量波前曲率半径大竖直口径小的光束,不但精度高．而且具有实用价值。     

哈特曼波前传感器中采样点数的分析

随着哈特曼传感器测量口径的增大,采样点数对被测波前的空间分辨率、测量精度及动态范围的影响也随之增大,因此通过计算机仿真波前径向斜率拟合过程,分析出采样点数和斜率探测误差对测量精度和测量范围的影响。计算机仿真的波前斜率拟合所用泽尼克多项式达到121项,测量口径2m,测量精度要求λ/50,径向(半径)和切向最少采样点数分别为10点和21点。当径向和切向采样点数分别为40点和250点,斜率测量误差为0.045″时,所测波前的P-V值范围是0-4λ。