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基于多测头的反射镜面形检测OA

Mirror surface shape measurement based on multiple probes

中文摘要英文摘要

针对光学元件研磨阶段传统单测头检测方法对机床导轨运动误差敏感,难以同时兼顾检测精度与在位测量效率的问题,提出一种适用于普通机床集成条件下的多测头非接触式面形检测方法,以实现光学元件研磨阶段的高精度在位检测.阐述由3个激光位移传感器组成的多测头系统的差分检测原理,通过三测头两两差分抑制机床导轨运动误差,并将位移差分量转换为被测面局部斜率信息,再基于Zernike多项式的斜率拟合与面形重建原理,利用最小二乘拟合由斜率场反演得到全口径面形.建立系统的几何仿真模型,采用蒙特卡罗法分析测头位置误差和姿态误差对面形重构结果的影响,进一步引入Sobol全局敏感度系数量化各误差源对均方根(Root Mean Square,RMS)误差的贡献,为系统装调公差分配和误差控制策略提供依据.最后,对一片口径为Φ400 mm、材料为单晶硅的研磨阶段平面反射镜进行实验验证,将本研究的检测结果与三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine,CMM)的检测结果进行对比.实验结果表明,两种方法得到的峰谷值(Peak to Valley,PV)值绝对偏差为0.21 μm,相对偏差为2.22%;RMS值绝对偏差为0.14 μm,相对偏差为7.78%.所提方法可保持良好的测量一致性和稳定性,为光学元件研磨阶段的高精度面形检测提供了一种易于工程实现的解决方案.

To address the limitation that conventional single-probe measurement methods used during the grinding stage of optical components are highly sensitive to machine tool guideway motion errors and strug-gle to balance measurement accuracy with in-situ measurement efficiency,a multi-probe non-contact sur-face form measurement method suitable for integration with conventional machine tools is proposed,en-abling high-precision in-situ measurement during the grinding process of optical components.First,the dif-ferential measurement principle of a multi-probe system composed of three laser displacement sensors is in-troduced.By performing pairwise differencing among the three probes,the influence of machine tool guideway motion errors is effectively suppressed,and the displacement differences are transformed into lo-cal surface slope information.Subsequently,a surface reconstruction approach based on Zernike polynomi-al slope fitting is described,in which the full-aperture surface form is reconstructed from the measured slope field using a least-squares fitting method.A geometric simulation model of the measurement system is then established,and the effects of probe position and orientation errors on the reconstructed surface are analyzed using the Monte Carlo method.Furthermore,Sobol global sensitivity indices are employed to quantitatively evaluate the contributions of different error sources to the RMS error,providing guidance for system alignment tolerance allocation and error control strategies.Experimental validation is conducted on a Φ400 mm diameter single-crystal silicon plane mirror during the grinding stage.The measurement re-sults obtained using the proposed multi-probe system are compared with those from a coordinate measuring machine(CMM).The results indicate that the absolute deviation of the peak-to-valley(PV)value is 0.21 μm,corresponding to a relative deviation of 2.22%,while the absolute deviation of the root mean square(RMS)value is 0.14 μm,corresponding to a relative deviation of 7.78%.These results demon-strate that the proposed method maintains good measurement consistency and stability under machine tool operating conditions and provides a practical non-contact surface form measurement solution for high-preci-sion in-situ measurement during the grinding stage of optical components.

曲梓浩;王孝坤;蔡梦雪;戚二辉;赵映景;刘忠凯;王玉坤;薛栋林;张学军

中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033

数理科学

光学检测多测头面形重构蒙特卡罗分析Sobol敏感度系数

optical measurementmulti-probesurface figure reconstructionMonte Carlo analysisSo-bol sensitivity indices

《光学精密工程》 2026 (5)

701-710,10

国家自然科学基金资助项目(No.62127901)

10.37188/OPE.20263405.0701

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