Menu

Menu

五维位姿监测的曲率半径高精度测量

导读

 

球面镜作为光学领域的基础元件,在空间遥感、光刻机和精密成像系统等国家重大专项和前沿科技领域中得到了广泛的应用。曲率半径作为球面元件的基本参数,其加工精度直接关系到整体光学系统的成像质量。
目前,光学元件参数的加工精度主要依靠精密检测和反复修正进行保证,曲率半径的加工精度主要由测量精度决定,因此提升曲率半径的检测精度成为保障球面元件加工精度、进而提升光学系统整体性能的关键。
针对该问题,本团队提出激光差动共焦曲率半径测量方法,实现了对被测镜的高精度定焦,通过定位被测镜“猫眼-共焦”位置对曲率半径参数进行高精度测量,理论精度可达到5×10⁻⁶。但在实际测量过程中,由于被测镜装调误差的影响,被测镜光轴与测量光轴难以重合、存在夹角,从而引入余弦测量误差,成为工程中制约曲率半径测量精度提升的重要瓶颈。
近期,北京理工大学光电学院“复杂环境智能感测技术”工信部重点实验室的庄雨晴王允等人在《光学 精密工程》(EI、Scopus,中文核心期刊,《仪器仪表领域高质量科技期刊分级目录》和《光学和光学工程领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”期刊)上发表了题为 “五维位姿监测的差动共焦曲率半径测量方法”的封面文章

五维位姿监测的曲率半径高精度测量

2023年7期封面
曲率半径测量中的余弦误差

 

对于球面被测镜,定位被测镜表面可获得“猫眼”点坐标,定位表面的球心可获得“共焦”点坐标,两坐标相减即可得到被测表面的曲率半径。该“猫眼-共焦”法测量曲率半径直接、准确,但要求被测镜光轴与测量光轴严格重合;当被测镜装卡时存在位置偏移或姿态倾斜,如图1所示,被测镜光轴与测量光轴存在夹角,曲率半径测量会引入余弦误差,该误差成为制约实际测量中曲率半径精度提升的主要因素。

五维位姿监测的曲率半径高精度测量

图1:被测镜倾斜示意
五维位姿监测调整消除余弦误差的原理

 

本研究提出了“五维位姿监测的差动共焦曲率半径测量方法”,原理如图2所示,驱动被测镜绕轴回转,通过监测旋转被测镜返回的测量光束形成的轨迹计算被测镜的位姿偏差,通过五维位姿调整修正被测镜的偏心和倾斜,实现被测镜光轴与测量光轴重合,消除余弦误差,提升实际工程中被测镜表面曲率半径的测量精度。
在测量过程中,首先将被测镜装卡在五维位姿调整机构上,调整定焦光路初步定焦被测镜的“共焦”位置,然后驱动被测镜旋转,在探测器上监测被测镜共焦点轨迹,拟合计算得到被测镜光轴与测量光轴之间的夹角;然后,通过五维位姿调整机构对被测镜进行偏心和倾斜调整补偿,经过迭代调整后可实现被测镜光轴与测量光轴重合,从而消除曲率半径测量中的余弦误差;再利用差动共焦曲线的过零点对被测面“共焦”和“猫眼”位置进行精确定焦,获得被测镜球心点和球面顶点的空间位置,即可精确得到曲率半径的测量值。

五维位姿监测的曲率半径高精度测量

图2:位姿监测调整曲率半径测量原理
应用前景

 

利用五维位姿监测调整消除余弦误差的方法不仅显著提升了曲率半径的测量精度,为光学透镜的高精度加工提供了一种高精度的检测手段,而且作为一种新思路可扩展应用到透镜厚度、焦距和镜组间隔等多种参数测量中,全面提升光学元件参数的检测精度。
  论文信息  
庄雨晴,章广威,赵维谦等.五维位姿监测的差动共焦曲率半径测量[J].光学精密工程,2023,31(07):975-981. DOI:10.37188/OPE.20233107.0975.
https://ope.lightpublishing.cn/thesis/65/34667375/zh/
  团队负责人简介  
赵维谦,北京理工大学长江学者特聘教授,博士生导师,为国务院学位委员会“仪器科学与技术学科”学科评议组成员、中国光学学会光学测试专业委员会副主任委员等,获国家首批“万人计划”百千万工程领军人才等。长期致力于精密光电测试技术与仪器的创新研究,主持了包括国家重大科学仪器设备开发专项项目、国家863计划主题项目、国家自然科学基金重大类/重点/科学仪器研究项目等。研究成果获1项国家技术发明一等奖(排名2)、 1项国家技术发明二等奖(排名1)、5项部级发明/科技进步一等奖等10余项科技奖项,发表SCI检索论文近百篇,授权中外发明专利100余项。
  团队介绍  
赵维谦教授带领的团队“激光差动共焦精密测量技术”团队,依托北京理工大学“复杂环境智能感测技术”工信部重点实验室等,主要从事元件参数测量领域的研究工作,在光学精密检测、精密机械、光电传感与控制等方面具有长期的技术积累,发明并研制出国际上具有鲜明特色的激光差动共焦元件参数测量仪器等,承担了包括国家重大仪器开发专项、国家重点研发计划等在内的多项科研任务。

免责声明:本文旨在传递更多科研资讯及分享,所有其他媒、网来源均注明出处,如涉及版权问题,请作者第一时间联系我们,我们将协调进行处理,最终解释权归旭为光电所有。