4.1  六维调整架检测的基本方案设计 32

4.2  六维调整架线位移的检测 36

4.3  六维调整架角位移的检测 45

4.4  标定系统在线控制软件的检测 49

4.5  标定球装夹结构的检测 51

4.6  本章小结 51

结  论 52

致  谢 53

参考文献 54

附录 57

 1  引言

1.1  研究背景

1.1.1  自由曲面及其特点与应用领域

自由曲面指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲面,主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面[1]。自由曲面光学在先进光学工程领域是具有代表性的前沿技术之一。与目前使用的常规元件相比，自由曲面光学元件作为一类复杂的、非旋转对称的异形曲面，其非球面度可以很大，可根据现代光电系统对信息发送、接收、转换、传送及存储功能的特殊需要，突破传统光学系统的概念，运用于全新的系统设计方案中[2]。在成像系统中，该技术可以很好地校正多种像差，提高成像质量；而较少数量的自由曲面元件可用以代替较多数量的球面元件，简化系统结构，减轻仪器重量[3]；此外，自由曲面光学系统的设计能大大简化系统的计算方法[4]；还可以提高系统的相对孔径，扩大视场角等[5]。在高性能照明系统设计中，该技术不仅可以提供很大的设计自由度，降低了系统对照明方向性的严格要求，还可以有效地提高光能利用率[2]。

在国防、航空航天领域，大型或超大型光学产品，便携高性能产品及日用品上，自由曲面光学原件的加工和制造体现着国家的技术实力和经济发展，如军事上用于航空机载设备、卫星、激光制导、红外探测、夜视等方面，尤其是天文领域，大型的天文望远镜主要由自由曲面镜构成；民用上用于光通讯、摄影镜头、激光打印机、电视摄像管、电影放影镜头、光盘、条形码读出头、光纤通信的光纤接头等；医疗上用于激光手术刀、内窥镜等各种诊断和治疗仪器[6]。

1.1.2  自由曲面现阶段的检测难题

现代光学设计程序可以方便地设计出带有自由曲面元件的光学系统，使自由曲面得到了越来越多的应用。但是在光学系统中采用自由曲面元件的主要障碍就是来自自由曲面元件在加工和检测上的困难。如：加工过程中，自由曲面没有对称轴，不能采用对研方法加工；其各点的曲率半径不同，在抛光时面形难以修正；自由曲面对另一个平面或球面的偏斜无法用磨边来纠正[7]；检测方面，由于自由曲面的曲率变化大，传统的干涉检测形成的干涉条纹密度大，传感器不易分辨，使得自由曲面检测难度增大。在光学计量领域,希望自由曲面面形误差能达到0.063μm(PV),(即λ/10,λ=0.6328m)；或者0.01μm[波像差(RMS)],即约λ/60。如此才能确保应用自由曲面透镜或反射镜光学系统的像质接近于衍射极限(RMS达到0.031μm,相当于λ/20)[8]。这对自由曲面制造技术的加工和检测有相当高的要求。目前自由曲面光学元件的制造技术已从传统的手工修改球形表面发展到计算机控制确定性的加工过程。想要获得高精度的自由曲面，关键在于是否有可行的检测方法、是否能提供可靠的测量结果指导加工[9]。因此，快速、高精度的自由曲面检测成为当今光学检测中最为关键的技术之一。