大口径共焦轮廓仪设计 及动态复合扫描方法研究

杨利霞

大口径共焦轮廓仪设计及动态复合扫描方法研究

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伴随现代大口径光学元件加工检测技术的不断完善，当代各类光机电等元件在
$ u! c" u( P$ K* S, A8 e朝着小型化、精密化方向发展，使得对元件轮廓测量精度的要求甚至提升到了纳米
9 z* B% q) H3 `5 X4 |$ Q4 n的量级，并且元件面形出现多样化的趋向，各式各样复杂面形以及超高性能的大口
3 \- y: H4 C5 b* r- _径光学元件相继面世，其中大口径光学元件更是在天文光学领域、空间光学领域、
# G; a' m4 J  T远场目标探测识别、激光传输等领域中起到了关键作用，同时也成为光学系统设计
  i2 }$ [' A! k# ^& E* E* ]* w和超精密加工技术相互渗透的产物。
本课题“大口径共焦轮廓仪设计及动态复合扫描方法研究”，利用共焦扫描原
理实现了对大口径共焦轮廓仪的设计及误差分析以及对大口径光学元件的二维轮
廓测量和提取工作，重点研究了关于改变 XZ 相对运动模式实现大口径二维轮廓较
快速测量的方法，并基于此编写了 LabVIEW 上位机软件平台。主要工作内容如下：
. z; ^6 g) q5 }: f" D" @. A. m5 \( {（1）研究分析基本共焦成像理论，分析推导动态复合扫描的情况下的共焦扫
描成像三维强度点扩散函数，主要研究复合运动轴向包络曲线的变化，包括在不同
8 L' Y) }3 i3 b9 A, z的面形以及不同的运动模式下的变化以及后期对测量的影响；
（2）设计大口径光学共焦轮廓仪，测量范围 200mm×200mm×150mm 以满足
大口径光学元件的轮廓形貌测量的需求，针对不同的测量面形改变相对运动模式可
( P! q" j, X, V, F- ]- Z, t6 t以获得步进式扫描及复合式扫描轮廓测量结果，仪器同时具备传统共焦测量微结构
三维形貌测试的能力；
（3）大口径光学共焦轮廓仪几何误差建模分析及矫正：共焦轮廓仪设计采用
7 u- K' W4 i. j0 p: K柱式坐标轮廓仪结构模型，测量传感器采用共焦光学测头，位置反馈采用精密激光
干涉仪监测高精度平晶，仪器测量监测系统由四路精密激光干涉仪及两个平晶组
成，通过分析三轴 18 项运动误差运动模型并给出补偿表达式，以便后期进行补偿
4 N0 L2 I5 ]' @3 a, d+ L修正。
( f! H- `1 c3 N1 Y8 A- x（4）实验验证复合扫描运动模式下对平面、倾斜表面、球面的测量结果并与
步进式扫描作对比，通过给出斜面测量误差以及球面半径拟合结果，对比分析复合
3 o/ A" M; L! h& n式扫描在时间提升上的优越性，并且最后对仪器测量性能进行了分析。
关键词：共焦测量；动态复合测量；大口径光学元件；轮廓扫描