中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

光学镜面的加工过程基本分为铣磨成型、精磨、抛光三个阶段，为了提高加工效率，需要提高精磨和抛光阶段的检测精度，然而对于一般光学车间而言，这一阶段在检测过程中会面临以下困难：
 
1.  中小口径离轴非球面的轮廓检测。轮廓测量作为非球面的常用检测手段，通常用于研磨阶段镜面的测量，其主要的检测设备为三坐标轮廓仪。虽然目前三
坐标仪可以结合CAD工程制图软件实现对被测工件的测量坐标系的快速建立，规划测量路径，以及得到精度较高的轮廓残差，但是由于三坐标的工作特点使其易于受到被测工件位置误差的影响，导致轮廓残差无法反映镜面实际面型。
 
2.  粗抛镜面的量化检测。精磨后期镜面的精度已小于传统三坐标测量设备的检测精度，而又大于干涉测量的动态范围，因此会造成检测范围的断层。刀口阴影法作为这一阶段的主要检测方法无法进行有效量化，不利于现代数控加工的开展。
 
3.  大口径非球面的轮廓测量。不同于中小口径镜面，为了提高大口径非球面的加工效率，需要进一步提高轮廓测量的精度和效率，因此传统三坐标式轮廓测量设备无论从检测精度，检测范围，以及检测效率都不能满足大口径非球面的检测要求。
 
本文主要围绕上述三个难点，结合光学车间的实际条件，对研磨到抛光阶段的光学镜面检测技术进行研究。论文的研究内容分为以下几个部分：
 
1.  从三坐标测量数学模型出发，研究了三坐标轮廓测量中被测镜的理论坐标系与测量坐标系之间的偏转形式和误差引入过程。根据误差的引入形式建立误差分离函数，通过基于梯度下降的非线性优化过程进行误差的优化求解和分离，从而根据原本含有坐标系误差的轮廓测量值恢复被测镜的面型误差。对处于研磨过程的 570mm口径椭球面进行检测并指导加工，经过三轮工序，镜面的面型误差的 
PV 值由68.91um 收敛至13.83um ，RMS值由7.18um收敛至1.89um 。
 
2.  从相位恢复原理出发，结合光学传输理论推导CCD在光轴方向，沿光轴偏斜以及垂直光轴平移三种位置调整误差对相位恢复算法的影响。发现CCD轴向调整误差引入离焦像差，偏斜会在相位恢复结果中表现为倾斜误差，横向位移使采集光强与理论计算光强存在错位，导致采集光强无法正常约束理论光强。这种光强间的位置移动在频域上表现为频移，在算法进行光场传输计算时会将频移量以倾斜相位面的形式加入光场，并表现为倾斜像差形式，并通过仿真验证了图像出现平移对算法检测结果与收敛性的影响。
 
3.  针对光学车间中难以精确调整CCD横向位置问题，结合图像的亚像素配准方法，提出一种可矫正图像平移的相位恢复算法。通过对110mm球面镜的检测，测得镜面面型与干涉测量面型一致。继续测量一块115mm球面镜，检测算法对中高频误差的恢复能力，相位恢复检测镜面面型误差的RMS为0.0236入，与干涉测量面型误差的RMS相差0.0087入。为了证明算法在离轴非球面测量中的应用，采用无像差检测方法测量一块60mm离轴抛物面，检测镜面面型误差RMS为 0.0574入，与4D干涉仪测量镜面面型误差相差0.0064入。
 
4. 提出800mm摆臂轮廓仪设计方案，建立摆臂轮廓测量模型，详细设计了数据处理，非球面面型恢复算法，并对系统存在的各项误差进行分析，根据误差分析结果提出可行的精度提升方案。