基于结构照明的大尺寸非球面镜检测方法研究

在强激光武器发射系统、空间光学、天文光学、激光核聚变等诸多领域中, 广泛地使用大口径非球面镜, 它具有成像质量高、体积小、重量轻的特点, 起着球面镜无法替代的作用。长期以来大口径非球面的制造与检测技术一直是制约其广泛应用的两大难题。在大镜制造和检测领域，国内外存在较大差距。本项目从广义信息传递和变换的观点研究干涉型计量和结构照明型计量的共性和差异性, 借用结构照明型三维面形测量的基本理论和方法研究光学元件波面检测过程,探索一种新的光学波面检测方法，用于大口径非球面镜的测量。本项目将采用结构光投影技术、反向结构光投影技术、结构光偏折技术、高精度相移技术等结构照明型计量技术，实现大口径非球面镜的三维面形重建。特别针对2米及2米以上的大镜粗磨和精磨加工，提供一种精度恰当的面形检测和质量控制方法和检测手段，研制原理实验样机，并建立指导加工过程的面形波面分析软件平台。

大口径非球面镜在天体观察，强激光武器发射系统，空间通讯系统等诸多领域有着越来越广泛的使用。大口径非球面镜的检测技术一直是先进光学制造及测试领域研究的课题，解决粗磨非球面化和精磨的高精度、高效率、非接触测量是这一领域的难题之一。项目“基于结构照明的大尺寸非球面镜检测方法研究”对基于结构照明的大尺寸非球面镜检测的原理、方法和关键技术进行了系统深入的研究。提出适于用非球面镜初磨非球面化和精磨初抛光阶段检测的方法，解决了系统标定技术难题。设计和研制原理实验样机、建立指导加工过程面形波面分析的软件平台，在大镜检测的实验研究等方面取得了较大进展，所提方法将在国家十二五计划4米大镜的检测中采用。主要结果如下：.1.提出采用条纹偏折技术的大尺寸非球面检测原理与方法，提出基于全局位姿和约束光束平差优化的系统标定新方法，解决了摄像机、显示器与被测大镜的位姿标定的难题，完成了从梯度数据重建三维面形的积分算法设计和软件编制，提高了相位测量偏折术的测量精度；提出基于虚拟抛物面概念的非球面测量新方法，测量光路采用了离轴结构，避免了遮挡、占位问题，具有更大的灵活性，该方法能够以较高精度测量深度非球面。.2.提出基于反向摄影测量的光学三坐标测量方法和基于相位标靶的三坐标测量方法。设计了二维位相标靶，通过计算标靶上条纹的相位分布来建立摄像机坐标系与标靶所在的世界坐标系之间的关系，从而计算出测点在世界坐标系中的坐标。大大增加用于标定的特征点, 提高了测量精度。.3.提出一种大口径非球面镜全场扫描干涉检测方法，通过计算机控制电控平移台使干涉仪和待测非球面镜沿对称轴移动，完成大口径非球面镜的扫描测量，获取三维空间的干涉条纹图，进行全孔径波前重构。.项目研究期间，发表SCI论文28篇，EI论文27篇（不重复统计），包括Optics Express 4篇、Optics Letters 1篇、Applied optics 6篇等，参编英文专著1部。组织国际学术会议2次（任共主席）。国际会议大会特邀报告2篇，分会邀请报告4篇。申请发明专利11项，已授权4项，所提出的检测方法和所取得成果具有完全自主知识产权。