计算全息补偿检测自由曲面的高精度位姿测量

李雯研; 程强; 曾雪锋; 李福坤; 薛栋林; 张学军

doi:10.37188/OPE.20233111.1581

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

计算全息补偿检测自由曲面的高精度位姿测量

现代应用光学 | 更新时间：2023-07-08

- 计算全息补偿检测自由曲面的高精度位姿测量
- High-precise posture measurement for measuring freeform surface with computer generated hologram compensation
- 光学精密工程 2023年31卷第11期页码：1581-1592
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.中国科学院大学，北京100049
- 作者简介：
  
  [ "李雯研（1997-），女，吉林长春人，硕士研究生，2020年于长春理工大学获得学士学位，主要从事光学检测方面的研究。E-mail：lwy_978@163.com" ]
  [ "曾雪锋（1987-），男，江西抚州人，博士，副研究员，2009年于南京理工大学获得学士学位，2014年于中科院长春光机所获得博士学位，主要从事先进光学制造技术方面的研究。E-mail：zengxf@ciomp. ac. cn" ]
  [ "薛栋林（1979-），男，江苏靖江人，研究员，博士生导师，主要从事光学检测和空间光学系统设计等方面的研究。E-mail：xuedl@ciomp. ac. cn" ]
- 基金信息：
  
  吉林省卓越创新团队(20210509067RQ);国家自然科学基金资助项目(61975201;62075218;12003034);国家重大科研仪器研制项目(62127901);中科院青促会项目（No.2020224(2022213)
- DOI：10.37188/OPE.20233111.1581
  中图分类号： O439
- 收稿日期：2023-01-11，
  
  修回日期：2023-02-14，
  
  纸质出版日期：2023-06-10
- 稿件说明：
移动端阅览
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.

LI Wenyan,CHENG Qiang,ZENG Xuefeng,et al.High-precise posture measurement for measuring freeform surface with computer generated hologram compensation[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(11):1581-1592.
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.

LI Wenyan,CHENG Qiang,ZENG Xuefeng,et al.High-precise posture measurement for measuring freeform surface with computer generated hologram compensation[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(11):1581-1592. DOI： 10.37188/OPE.20233111.1581.

摘要

为实现自由曲面的定位与位姿高精度测量，提出了“光学-机械”基准定位法，建立了位姿测量模型，并对该方法的定位误差和基准选择展开研究。根据三坐标测量机与计算全息提出了“光学-机械”基准定位法。然后，采用球形安装的回射器（Sphere Mounted Retroreflector ，SMR）、猫眼、基准球作为基准，基于波像差理论与视差效应分别建立了3种基准的位姿测量模型，得到了位置误差与基准区域波前像差的函数关系，并对3种位姿测量模型进行对比。最后，对3种基准位姿测量方法进行仿真及实验验证，实测结果与模型的残差结果均小于0.05

，相对误差均小于2.43%，验证了模型的准确性。实验结果表明，当检测距离为1 000 mm时，猫眼法的轴向定位误差为24 μm；基准球法的轴向定位误差为50 μm；SMR靶球法的轴向定位误差为16 μm，

，

方向的定位误差为1 μm，滚转角定位误差为3.26″。SMR靶球法的定位误差最小、检测动态范围最大且检测光学元件的自由度最多，更适用于自由曲面的高精度位姿检测。

Abstract

To realize the high-precision position measurement of freeform surfaces， this paper proposes an optic-mechanical reference positioning method that employs a position measurement model. First， an optical-mechanical reference positioning method based on a coordinate measuring machine and computer-generated holography is proposed. Then， using a spherical mounted retroreflector （SMR） target ball， cat eye， and reference ball as the benchmarks， three benchmark position measurement models are established on the basis of wave aberration theory and parallax effect. The functional relationship between the position error and the wavefront aberration in the reference area is obtained， and the three position measurement models are compared and analyzed. Finally， the three benchmark position measurement methods are simulated and validated via experiments. The residual difference between the measurement results and the model is below 0.05

， and the relative error is below 2.43%， confirming the accuracy of the model. The experimental results indicate that the axial positioning error of the cat-eye method is 24 μm when the measurement distance is 1 000 mm. The axial positioning error of the reference-ball method is 50 μm. The SMR target ball positioning error is 16 μm in the axial direction， 1 μm in the

and

directions， and 3.26″ in clocking. The SMR target ball method has the minimum positioning error， maximum measurement dynamic range， and maximum degree of freedom in detecting optical elements； therefore， it is more suitable for high-precision pose measurement of freeform surfaces.

关键词

Keywords

references

ZHANG X J ， HU H X ， WANG X K ， et al . Challenges and strategies in high-accuracy manufacturing of the world’s largest SiC aspheric mirror ［J］. Light： Science & Applications ， 2022 ， 11 ： 310 . doi: 10.1038/s41377-022-00994-3 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-022-00994-3

蔡志华，王孝坤，胡海翔，等 . 计算全息法标定单光楔补偿检测系统误差［J］. 中国光学， 2022 ， 15 （ 1 ）： 90 - 100 . doi: 10.37188/co.en.2021-0004 http://dx.doi.org/10.37188/co.en.2021-0004

CAI ZH H ， WANG X K ， HU H X ， et al . Calibration of single optical wedge compensation test system error by computer generation hologram ［J］. Chinese Journal of Optics ， 2022 ， 15 （ 1 ）： 90 - 100 . （in Chinese） . doi: 10.37188/co.en.2021-0004 http://dx.doi.org/10.37188/co.en.2021-0004

黎发志，罗霄，赵晶丽，等 . 离轴非球面的计算全息图高精度检测技术［J］. 光学精密工程， 2011 ， 19 （ 4 ）： 709 - 716 . doi: 10.3788/OPE.20111904.0709 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20111904.0709

LI F Z ， LUO X ， ZHAO J L ， et al . Test of off-axis aspheric surfaces with CGH ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2011 ， 19 （ 4 ）： 709 - 716 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20111904.0709 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20111904.0709

朱日宏，孙越，沈华 . 光学自由曲面面形检测方法进展与展望［J］. 光学学报， 2021 ， 41 （ 1 ）： 0112001 . doi: 10.3788/aos202141.0112001 http://dx.doi.org/10.3788/aos202141.0112001

ZHU R H ， SUN Y ， SHEN H . Progress and prospect of optical freeform surface shape detection methods ［J］. Acta Optica Sinica ， 2021 ， 41 （ 1 ）： 0112001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos202141.0112001 http://dx.doi.org/10.3788/aos202141.0112001

张磊，吴金灵，刘仁虎，等 . 光学自由曲面自适应干涉检测研究新进展［J］. 中国光学， 2021 ， 14 （ 2 ）： 227 - 244 . doi: 10.37188/co.2020-0126 http://dx.doi.org/10.37188/co.2020-0126

ZHANG L ， WU J L ， LIU R H ， et al . Research advances in adaptive interferometry for optical freeform surfaces ［J］. Chinese Journal of Optics ， 2021 ， 14 （ 2 ）： 227 - 244 . （in Chinese） . doi: 10.37188/co.2020-0126 http://dx.doi.org/10.37188/co.2020-0126

ZEHNDER R ， BURGE J H ， ZHAO C Y . Use of computer generated holograms for alignment of complex null correctors ［C］. SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. Proc SPIE 6273 ， Optomechanical Technologies for Astronomy， Orlando， Florida， USA . 2006 ， 6273 ： 880 - 887 . doi: 10.1117/12.672139 http://dx.doi.org/10.1117/12.672139

BEVERAGE J ， BURGE J H ， BLANCHARD J ， et al . Interferometric metrology for the TMT primary mirror segments： design and analysis ［C］. Optical Design and Fabrication 2019 （Freeform， OFT）. Washington ， DC. Washington ， D .C.： OSA ， 2019 ： OM3A. 5 . doi: 10.1364/oft.2019.om3a.5 http://dx.doi.org/10.1364/oft.2019.om3a.5

李彦宏，杨帅，唐顺，等 . 后置分光瞳激光差动共焦曲率半径测量［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 10 ）： 2287 - 2295 . doi: 10.37188/OPE.20212910.2287 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212910.2287

LI Y H ， YANG SH ， TANG SH ， et al . Detecting divided aperture laser differential confocal radius measurement ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2021 ， 29 （ 10 ）： 2287 - 2295 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212910.2287 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212910.2287

ZHANG X ， HU H X ， XUE D L ， et al . Wavefront optical spacing of freeform surfaces and its measurement using CGH interferometry ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2023 ， 161 ： 107350 . doi: 10.1016/j.optlaseng.2022.107350 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2022.107350

ZHAO C Y . Computer-generated hologram for optical testing： a review ［C］. SPIE Optical Engineering + Applications. Proc SPIE 11813， Tribute to James C Wyant ： the Extraordinaire in Optical Metrology and Optics Education， San Diego， California， USA . 2021 ， 11813 ： 142 - 150 . doi: 10.1117/12.2568339 http://dx.doi.org/10.1117/12.2568339

ZEHNDER R . Use of Computer Generated Holograms for Optical Alignment ［M］. The University of Arizona ， 2011 .

COYLE L E ， BURGE J H ， DUBIN M . Locating computer generated holograms in 3D using precision aligned SMRs ［C］. Classical Optics 2014. Kohala Coast， Hawaii. Washington， D.C. ： OSA ， 2014 ： OTh1B. 2 . doi: 10.1364/oft.2014.oth1b.2 http://dx.doi.org/10.1364/oft.2014.oth1b.2

STEELE T ， AMENT S D V ， BEVERAGE J ， et al . Computer generated hologram （CGH） education kit for hands-on learning of optical metrology for complex optics and systems ［C］. SPIE Optical Engineering + Applications. Proc SPIE 12213， Optics Education and Outreach VII ， San Diego， California， USA . 2022 ， 12213 ： 149 - 157 . doi: 10.1117/12.2638004 http://dx.doi.org/10.1117/12.2638004

BURGE J H . Efficient and accurate alignment methods for interferometric metrology using computer generated holograms ［C］. Workshop Ultra Precision Manufacturing of Aspheres and Freeforms ， 2021 .

单小琴，韩志刚，朱日宏 . 基于波长移相剪切干涉的准直波前重构技术［J］. 应用光学， 2020 ， 41 （ 1 ）： 67 - 73 . doi: 10.5768/jao202041.0102001 http://dx.doi.org/10.5768/jao202041.0102001

SHAN X Q ， HAN ZH G ， ZHU R H . Collimated wavefront reconstruction based on wavelength phase-shifting shear interferometry ［J］. Journal of Applied Optics ， 2020 ， 41 （ 1 ）： 67 - 73 . （in Chinese） . doi: 10.5768/jao202041.0102001 http://dx.doi.org/10.5768/jao202041.0102001

YOSHIKAWA N ， ITOH M ， YATAGAI T . Binary computer-generated holograms for security applications from a synthetic double-exposure method by electron-beam lithography ［J］. Optics Letters ， 1998 ， 23 （ 18 ）： 1483 . doi: 10.1364/ol.23.001483 http://dx.doi.org/10.1364/ol.23.001483

谢念 . 基于计算全息光学元件的非球面检测技术应用研究［D］. 西安：中国科学院西安光学精密机械研究所 .

XIE N . Application of Aspheric Surface Detection Technology Based on Computer Holographic Optical Elements ［D］. Xi'an ： Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics， Chinese Academy of Sciences . （in Chinese）

浏览量

659

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

光学精密工程·封面 | 自由曲面的高精度位姿测量

结合互相关和B样条插值的激光三角光斑定位

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

大口径非球面系统的共基准加工与检验

大尺寸光学元件在位动态干涉拼接测量系统

齿轮误差三维评定方法