随着光学非球面行业的快速发展,生产面形精度优于0.1 μm的非球面镜片产品已成为趋势。在非球面镜片的面形检测中,由于存在机械系统误差,被检测工件的坐标存在6个自由度的偏差,这将直接影响非球面的面形测量精度。因此,针对检测系统,需要开发不确定度只有几十纳米的误差校正算法,以保证测量结果更贴近实际。通过数据仿真,在理想非球面的基础上叠加位置误差和面形误差以获得非球面原始三维数据,进而利用修正后的Levenberg-Marquardt全局优化算法,将所获原始三维数据与非球面标准方程作对比,并利用均方根(RMS)误差最小原理,成功分离和校正了非球面的位置误差。针对4种不同规格型号的玻璃非球面镜片,通过将实验结果与商用非球面轮廓仪UA3P的测量结果作对比,得出高匹配的结果,二者的峰谷值之差小于5 nm,均方根相差约为0.1 nm,结果验证了算法的准确性和稳健性。

导弹**的制导工具误差分离与折合是命中精度评估的重要研究内容。首先结合捷联惯性导航系统的工作原理, 提出利用实数遗传算法实现误差分离与折合, 并给出具体实施步骤; 而后针对遗传算法在解决误差分离问题时寻优慢、易陷入局部最优等问题, 利用相应策略对遗传算法进行改进, 设置交叉概率和变异概率的调节机制, 同时利用精英保留策略, 有效提升了误差分离及弹道折合的精度; 最后利用某仿真弹道进行验证, 结果表明,与传统遗传算法相比, 改进遗传算法的收敛速度更快, 分离精度更高, 折合至全程弹道所得的遥外测速度差更接近真值。

提出一种在线非接触式测量主轴径向回转误差的方法, 为验证其准确性, 搭建了主轴回转误差测量装置并进行了比对实验。该方法主要由圆光栅、读数头、环形平面镜以及激光自准直仪组成。首先, 将圆光栅及环形平面镜安装在主轴上, 并在双顶尖装置中将光栅安装偏心误差和平面镜与主轴不垂直误差进行标定。然后, 将主轴安装在转台上, 双读数头对径安装, 自准直仪安装在平面镜下方。在主轴回转过程中, 双读数头圆光栅可以测得主轴径向运动误差, 自准直仪可以测得主轴径向运动误差方向上的偏摆角误差。最后, 根据主轴上一点的径向运动误差及其在此方向上的偏摆角误差便可以计算出主轴轴向各个点的径向回转误差。设计了比对实验, 结果表明在主轴径向回转误差为±12 μm时, 本方法与传统单向法比对残差在1 μm以内。本文提出的主轴径向回转误差测量方法可以应用到精密主轴回转类装置中, 实现在线检测主轴径向回转误差的目的。此外, 该方法无需采用标准球, 不受轴表面粗糙度、圆度等的影响。

大尺寸反射式光栅是提高天文光谱仪分辨率和啁啾脉冲放大系统输出能量的核心元件。随着天文和激光核聚变技术的发展, 大尺寸反射式光栅的研制已成为国内外学者研究的热点。相较于单块大尺寸反射式光栅的研制, 拼接法以其难度系数低、制作成本低和待拼接的小光栅易制作、质量高等优点成为了制作大尺寸反射式光栅的主要方法。本文介绍了大尺寸反射式光栅拼接技术的基本原理, 详细综述了光栅拼接技术的研究进展, 包括光栅拼接误差检测理论、光栅拼接误差分离、拼接光栅波前相位校正、光栅拼接误差维数的削减和光栅拼接装置, 最后总结了光栅拼接技术的优缺点并指出了其未来的发展方向。

为了解决大口径非球面反射镜材料去除效率与面形收敛效率之间的矛盾, 提出了基于高低阶面形误差分离的组合加工技术。首先, 分析了不同尺寸磨头对不同周期面形误差的控制能力。然后, 比较了不同磨头的收敛效率与加工时间之间的关系。最后, 根据大口径非球面反射镜加工过程中面形误差的特点, 将大口径非球面反射镜的面形误差分离为低阶面形误差与高阶面形误差, 使用不同加工方式分别对高、低阶面形误差驻留时间进行求解。通过多种加工方式组合加工的方法建立了具有针对性的加工策略, 有效提高加工效率。结合工程实例, 对一块口径为2.04 m的非球面SiC反射镜进行了加工试验, 单个组合加工周期内面形收敛效率达到61.2%。结果表明, 高阶与低阶面形误差均得到较好的去除。材料去除效率与面形收敛效率均得到提高, 达到了良好的效果, 满足加工需求。

使用大口径平行光管检测大型光学设备或元件时, 平行光管的自身误差会影响检测结果, 故本文提出了一种消除光学检测结果中平行光管引入误差的新方法。该方法使用干涉仪获取平行光管和光学检测系统的出射波前信息并以37项Standard Zernike Phase多项式进行拟合; 通过两组系数相减分离平行光管引入误差, 再配合ZEMAX中建立的等效被检光学系统的仿真模型模拟真实系统的出射光锥, 最终获得被检光学系统真实的出射波前信息。利用ZEMAX中的光学系统模型验证了该方法在大口径光学检测工作中的可行性; 使用焦距为1 597 mm, 口径为150 mm的小型平行光管、焦距为50 mm的光学镜头进行了实验。实验结果表明: 使用该方法获得的被检光学系统出射波前与真实波前的P-V值误差小于0.005λ, RMS值误差小于0.001λ, 可以满足实验室中对被检光学系统成像质量参数检测的精度要求。

基于自校准技术提出了用于影像仪的误差分离方法。建立了自校准算法模型, 并利用影像仪对算法模型进行了实验验证。该算法运用普通栅格板来替代标准器, 将栅格板置于影像仪工作台3个不同位置得到3组测量数据, 通过研制的测量数据转换模型将得到的数据代入自校准算法模型中, 最终将测量结果中包含的仪器系统误差分离出来, 实现了自校准。由于运用了测量数据转换模型, 有效解决了实验过程中栅格板所在坐标系与影像仪工作台坐标系不重合的问题, 提高了影像仪测量结果的准确度。测试实验显示: 测量点实际测得的误差为毫米级, 经过自校准算法处理后得到的测量点的系统误差最大为0.49 μm, 最小为0.00 μm, 表明将自校准算法应用于影像测量仪结果的误差分离具有较好的可行性。

利用手持式激光测距仪和二轴转台, 设计了一种经济型大尺寸激光三维自动测量系统, 用于船舶等大型工件的现场测量。介绍了系统的测量原理和主要组成部分, 系统无需合作目标, 在计算机的控制下自动对目标进行测量来获得相对系统的三维坐标数据。分析了系统的主要误差对测量结果的影响, 完成了主要误差的提取实验。最后, 利用激光跟踪仪对系统测试水平两点间的距离的测量精度进行了评定, 并对船分段模型进行了测量实验。实验表明, 该系统对水平放置物体的两点间距离的测量精度达到了1.73 mm,对船分段模型的平行平面之间的距离测量精度达到了1.5 mm。由于系统构成简单, 硬件成本较低, 测量精度较高, 测量速度大约为1 point/s, 非常适用于船分段的测量。

研究了砂轮圆弧半径误差对大口径矩形轴对称非球面加工的影响。采用直线光栅式平行磨削的加工方式，建立了砂轮圆弧半径的误差分离的数学模型，分析影响面形精度的因素，根据加工及测量方式将砂轮圆弧半径误差分离出来，利用分离的砂轮圆弧半径误差更新砂轮圆弧半径，同时采用分离后的误差数据进行补偿加工。实验结果表明：对比不分离的补偿加工结果，粗磨和精磨条件下的分离误差补偿加工后的面形误差分别减小了14%和35%，该误差模型能够有效地分离出砂轮圆弧半径误差，分离误差效果明显，提高了加工的精度。