光纤型点源阵列发生器点源规划路径的自动控制算法和软件设计(2)
1.2 国内外研究现状在早期，自由曲面的测量主要通过是由手工检测方法完成的，但在测量过程中效率低下、测量精度低，其应用受到一定限制，因而出现一种新的基于坐标测量机的检测方法。传统检测方法主要是接触式检测，测量时需要测头与测试面进行接触，对于柔软物体会因变形而产生一定误差，同时被测元件也易被损伤。而非接触式检测不需接触被测物，可从根本上解决接触式检测的缺陷，其可对自由曲面进行“点云”式密集检测，其检测速度快，成为自由曲面检测的一个新方向。Ronchi法：朗奇检验法主要是通过利用光栅产生的组合条纹（即莫尔条纹）的形状来检测反射镜的像差，进而反应反射镜的质量。在定性的朗奇检测中，面形误差通过评估仿真和实验得到的朗奇图即可获得；而在定量朗奇检测中，运用了很多近似和数值积分，这样就会引入许多误差。墨西哥普埃布拉自治大学 Alberto Cordero-Dávila 等人提出了一种不需近似和数值积分的评估面形新算法[12]。这种算法仅需一幅朗奇图，可以同时得到待测面的曲率半径和圆锥常数，理论上可以评估任何面形。他们通过实验证明，在只需要一幅朗奇图，任意位置、条纹数的情况下，曲率半径和圆锥常数测量是非常精确的。然而，对于算法的二文误差推广正在研究中。Shack–Hartmann 法：作为非干涉测量技术中较为先进的一种检测方法，夏克哈特曼波前探测法是不需要相干光源，而且对振动具有不敏感性，所以能获得相较于干涉仪的测量精度。
同时，它的测量动态范围也在不断扩大，这对于传统非零位干涉测量具有显著优势[13]。随着自由参考波前传感器的出现，夏克哈特曼波前探测法为自由曲面检测提供了新的方向。在该方法中，需要对每个焦点位置进行精确定位，但由于自由曲面自由度较高导致全局阈值的方法受到极大局限。2013 年，南洋理工大学Wenjiang Guo 等人提出局部阈值的方法，使其对不同的自由曲面检测更具适用性[14]。然而，夏克哈特曼检测法虽然能获得较高的测量精度，但却损失了大量的中间空间频率信息。CGH法：作为衍射光学元件， CGH 主要是利用衍射的原理产生波前， 而这些波前的形状是任意的，很久之前检测非球面主要就是利用这种技术[15]。CGH 拥有和自由曲面相似的非旋转对称特点，所以在自由曲面的零位补偿检测中发挥着极大的作用。同时，CGH 测量精度高、容易进行对准操作、效率高，因而在光学检测中具有重要意义。但是在干涉检测的动态测量范围方面，由于CGH 加工制造工艺的限制，如果所检测的自由曲面曲率较大，其干涉条纹密度也会过大，将无法在现有的技术上实现对 CGH 的制造[16]。同时，由于零位检测条件的限制，不利于其实现检测的通用性。PMD法：PMD 法与 PMP法类似，但PMD 法其测量的相位和待测面形梯度有直接关系，通过将标准相位条纹投影到待测件表面，然后分析由待测件反射回的正弦条纹图案变形情况，可以求出每个像素点对应待测面形上的局部法线方向。 该方法于2004年由埃朗根纽伦堡大学MarkusC. Knauer等人首次提出[17]。目前，德国萨尔州大学、四川大学、天津大学对 PMD 法检测自由曲面面形都有相应的研究[18]。子孔径拼接法：子孔径拼接的想法由 James Wyant 等人于1981 年首次提出，该想法通过小口径反射镜的移动实现了由局部干涉拼接融合对大口径镜面的检测。子孔径拼接技术种类较多，主要包括矩形子孔径、环形子孔径和圆形子孔径。然而，孔径拼接由于衍射重叠的存在容易产生迭代误差，复杂准确的拼接算法将是实现子孔径拼接技术的前提，并且子孔径的移动控制也会产生机械误差，最终将产生大量积累误差[19]。倾斜波面干涉法：多重倾斜波面干涉检测技术作为一种重要的检测方法，最早由德国斯图加特大学的 JanLiesener 和 Wolfgang Osten 教授团队提出。Jan Liesener 在参考光路中加入微透镜阵列对自由曲面进行局部斜率补偿，检测结果 PV值达 /2 ；Wolfgang Osten在测试光路中加入微透镜阵列对自由曲面进行局部斜率补偿，检测结果 PV 值达 /10 ，在自由曲面的检测精度方面取得极大突破[20]。该检测方法利用微透镜阵列对平行光束进行分割，解决了子孔径移动控制的机械误差，对于曲率较大的自由曲面具有较好的检测效果，检测速度快，成本较低，由于不需引入零位补偿器件，该系统具有检测的通用性。基于点光源阵列的斜率补偿系统：作为多重倾斜波面干涉系统的重要部分，基于点光源阵列的斜率补偿模块主要用来产生包含不同斜率补偿信息的倾斜光束，该模块主要包括驱动伺服电机、动态掩膜板、微透镜阵列、针孔阵列[21]。其中，微透镜阵列的作用主要是分割入射的平行光束，经单元透镜汇聚产生相应的点光源阵列；针孔阵列主要起到整形滤波的作用，装校时需要精确定位到微透镜阵列焦面上，且与单元透镜焦点一一对应；动态掩膜板按照一定的规律对点光源进行控制，实现每四个点光源通一个的控制；驱动伺服电机将对动态掩膜板的移动进行驱动，以实现对不同点光源通断的控制。然而，微透镜阵列中单元透镜存在厚度薄、焦距短、口径小的特点，很难实现焦距的精确测量，且针孔阵列针孔与对应微透镜阵列点光源很难实现精确对准；动态掩膜板的基本结构参数在实际操作中都存在一定的计量难度，使得装夹工作繁琐且可能引入较大的误差。针对上述斜率补偿模块的不足，提出了基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的设计，以光纤阵列代替微透镜阵列，其主要优点有操作简单、测量精度高、测量速度快、成本低等。目前，国内外对该空间点源阵列发生器还没有具体的研究，而本课题的研究成果可广泛应用于今后的各项检测中。