光学精密工程·封面 | 自由曲面的高精度位姿测量

▍导读

目前，在制造过程中往往只控制光学元件的面形精度，忽略了光学面形和空间位姿的关系，使得系统装调的难度提升，增大了系统装调的周期。在制造过程中，将光学位置和机械位置统一是提高装调效率的关键。尤其是对于面形复杂、不具有回转对称性的自由曲面来说，其面形误差对定位误差极为敏感。因此，自由曲面的高精度位姿测量和光机位置统一非常必要。

针对这一问题，近期，中科院长春光机所的李雯研等在《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“计算全息补偿检测自由曲面的高精度位姿测量”的封面文章。

▍光学元件的光机位置统一

在光学元件的加工和检测过程中，使用统一元件作为基准，以此实现光学元件的光机位置统一。光机位置统一的流程如图1所示。

图1：“光学-机械”基准定位法流程

首先将基准元件与光学元件固定；通过三坐标测量机获取基准元件与光学元件的相对位置关系，实现待测件的机械位置定位；进而根据CMM测量的位置参数进行CGH主区域与CGH基准区域的设计；最后在光学面形检测过程中，将CGH基准区域调整至对准状态，完成光学元件的精准定位，进而实现元件的光学位置与机械位置统一，CGH补偿检测自由曲面的面形和位置的光路示意图如图2所示。

图2：“光学-机械”基准检测光路示意图

▍自由曲面的高精度位姿测量方法

基于计算全息的自由曲面高精度位姿测量原理是利用CGH基准区域在指定的空间位置投射不同的波前，照射基准元件后返回，最终形成干涉条纹，通过干涉条纹的状态反映出光学元件的位置偏差。

作者对三种基准方法分别建立了不同的位姿测量模型，结合光线追迹软件进行仿真分析，与理论模型进行对比，SMR靶球法相对误差小于2%，猫眼法相对误差小于1.5%，基准球法相对误差小于7%，验证了位姿测量模型的正确性。仿真结果得到，SMR靶球法的轴向定位误差为15.8 μm、横向定位误差为0.8 μm、滚转角度误差为3.26″，猫眼法与基准球法的轴向定位误差为23.5 μm，该定位精度满足工程实际需求。SMR靶球法测量位姿误差实验的干涉图如图3所示，进一步表明该方法满足自由曲面的高精度多自由度定位需求。

图3：SMR靶球法测量位姿误差的干涉图

▍工程应用前景

本文提出了“光学-机械”基准定位法，建立了位姿测量模型，在计算全息干涉检测中实现光学元件的多自由度位姿测量，在制造过程中实现光学元件的光学位置与机械位置统一，大大降低了后续光学系统装调的难度，对自由曲面的高精度快速定位具有实际应用价值，对提高系统装调效率具有重要意义。

▍论文信息

李雯研,程强,曾雪锋等.计算全息补偿检测自由曲面的高精度位姿测量[J].光学精密工程,2023,31(11):1581-1592. DOI：10.37188/OPE.20233111.1581.

https://ope.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/OPE.20233111.1581/

▍团队负责人简介

张学军，研究员，博士生导师，中国科学院长春光学精密与物理研究所副所长，长春光机所总工程师，中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室主任，SPIE会士。获中科院“BR计划”、国家“杰青”基金、光华工程科技奖青年奖、中国航天基金会钱学森杰出贡献奖等支持与奖励。获国家科技进步二等奖2项（均排名第1），国家技术发明二等奖2项、国家科技进步二等奖1项（均排名第3）；中科院杰出科技成就奖2项、吉林省科技一等奖2项（均排名第1）；发表学术论文170余篇，授权发明专利46项。主持科技部国家重点研发计划2项，国家重大科研装备研制项目1项，基金委国家重大科研仪器设备研制项目（部门推荐）1项，基金委重点项目1项，基金委国际（地区）合作与交流项目1项。

▍团队介绍

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所大口径碳化硅反射镜高精度制造团队已建成具有自主知识产权的世界最大口径碳化硅制造平台，核心关键技术、原材料、软件和设备完全自主可控，达到国际领先水平。团队以满足国家重大需求为导向，瞄准国际前沿，致力于国际领先的光学制造基地建设，产品应用于火星探测、载人航天、中国空间站、高分系列、快舟系列、天绘系列、地基天文观测等20余个国家重点型号任务，为国家航空航天事业和天文观测的发展提供重要支撑。团队先后荣获了国家科技进步二等奖3项、国家技术发明二等奖2项、吉林省科学技术一等奖3项、中科院杰出科技成就奖2项等国家、省部级奖项20余项；并荣获全国“青年文明号”、中科院青年五四奖章集体、中科院“四强”标兵党支部、吉林省“黄大年式科研团队”、吉林省省直机关先进基层党组织等集体荣誉称号10余项。
团队研究包括：智能集成和环境适应性、大口径高精度复杂曲面加工工艺、自动化加工设备、复杂曲面高精度检测与复杂光学系统装调，空间光学遥感器总体技术。

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