基于计算机辅助及光学偏折术的高精度、通用化反射自由曲面测量方法研究

With the advantage of large degree of freedom, freeform surfaces have been widely applied in modern ultra-precise design, processing and manufacturing, etc. To realize the high-precision and general testing of reflective freeform surface within large dynamic range, this project presents a general testing method based on computer-aided and deflectometric techniques, which can reach the high precision in the order of nanometer. The deflectometry and sub-aperture stitching method are applied to realize the large size and high dynamic measurement range. The structural parameters are well calibrated with the three-dimensional coordinate measurement method based on sub-wavelength fiber point-diffraction interferometry, in which the sub-wavelength-aperture fiber is used as point-diffraction source to get precise and high-energy spherical wavefront, and the high-precision measurement within large range is realized with the precise spherical wavefront reference standard. The ray-tracing modeling and reverse optimization of the surface testing system is carried out with computer-aided measurement method, by which the general online testing of surface error is realized with high precision in the order of nanometer. This study will reach the freeform surface measurement precision better than the level of nanometer within large dynamic range. This novel measurement technology is expected to be widely used in the scientific research and production of the precise manufacturing and measurement of various surface shapes.

反射自由曲面由于具有较大表面自由度，在现代超精密设计、加工及制造领域得到了越来越广泛的应用，同时其测量也是一个技术难点。本项目提出了基于计算机辅助及光学偏折技术的高精度、通用化反射自由曲面测量方法，以实现对大动态范围内自由曲面面形误差达到纳米量级的通用化高精度测量。为获得大尺寸、大动态测量范围，采用光学偏折技术以及子孔径拼接方法实现自由曲面测量。基于亚波长孔径光纤点衍射干涉的三维坐标测量方法，通过亚波长孔径光纤点衍射方法获取大数值孔径范围内的高精度球面波前作为测量基准，实现对大范围测量系统结构的高精度在线标定。同时采用计算机辅助测量方法，对曲面在线测量系统进行光线追迹建模及逆向迭代优化，进而实现自由曲面面形误差可达纳米量级的高精度、通用化在线测量。本研究将可对大动态范围反射自由曲面实现纳米量级的高测量精度，有望广泛应用于各种表面面形超精密加工与测量等领域科研生产中。

反射自由曲面由于具有较大表面自由度，在现代超精密设计、加工及制造领域得到了越来越广泛的应用，其测量也是一大挑战。针对该问题，本项目提出了基于计算机辅助及光学偏折技术的高精度、通用化反射自由曲面检测方法。利用条纹反射光学偏折技术，实现了可达干涉法1000×以上大动态测量范围，满足了自由曲面面形检测要求。为了实现曲面检测系统结构参数高精度在线标定，提出了基于偏振相机的点衍射干涉三维坐标瞬态测量系统，测量精度达到亚微米量级，测量重复性优于5%，并且具有外界扰动不敏感和快速测量等特点，为无导轨三维位移和尺寸等测量提供了一种可行方法。针对曲面检测系统结构参数标定误差，提出了基于Zernike像差分离的结构几何误差两步校正法，对检测系统进行光线追迹建模及逆向迭代优化，极大的抑制甚至消除包括系统结构参数标定误差在内的原理性误差因素影响，可用于反射自由曲面实现nm量级的高精度通用化在线检测。提出了基于深度学习的光学偏折曲面重构技术，实现了nm量级的高精度曲面重构，克服了传统斜率积分曲面重构方法存在的效率低、易受噪声干扰以及误差累积的问题。研究了基于光学偏折技术曲面子孔径拼接测量方法，提出了基于相机视场范围与被测面曲面特征的子孔径划分方法以及基于加权融合算法的子孔径拼接测量方法，满足了大口径、大梯度元件高效率、高精度检测要求。研究中对系统各元件进行了非理想特性标定校正。利用所提出的自由曲面检测方法进行实际测量，与干涉仪比对实验结果表明：本方法可达到与干涉仪检测精度相当的nm量级检测精度。所提出的自由曲面检测方法及系统具有系统结构简单、抗干扰能力强以及可通用化测量等优点，充分展示了计算机数字化技术在高精度曲面检测中的巨大潜能，大大提高了其测量效率和实用化程度，有望广泛应用于各种复杂表面面形超精密加工与测量等领域科研生产中。