硕士学位论文论 文 题 目 三 坐 标 轮 廓 测 量 仪 检 测 非 球 面 研 究研究生姓名 王 建 明指导教师姓名 郭 培 基 (研 究 员 )专 业 名 称 光 学 工 程研 究 方 向 先 进 光 学 制 造 与 检 测论文提交日期 2013 年 4 月三坐标轮廓测量仪检测非球面研究 中文摘要三坐标轮廓测量仪检测非球面研究中文摘要非 球 面 ， 即 与 球 面 有 偏 离 的 表 面 ， 已 经 越 来 越 广 泛 地 应 用 于 各 种 光 学 系 统 中 。 非球 面 相 比 球 面 而 言 具 有 一 系 列 的 优 点 ， 例 如 ： 改 善 像 质 、 校 正 像 差 、 扩 大 视 场 和 增 大作 用 距 离 等 ， 同 时 还 能 够 使 光 学 系 统 小 型 化 、 轻 量 化 。 作 为 非 球 面 光 学 系 统 之 一 的 离轴 非 球 面 系 统 不 仅 能 够 在 最 大 程 度 上 提 高 系 统 分 辨 率 ， 增 大 视 场 角 ， 而 且 还 进 一 步 减轻 系 统 的 尺 寸 和 重 量 。 特 别 是 空 间 光 学 的 快 速 发 展 , 要 求 空 间 传 感 器 的 分 辨 率 越 来 越高 ， 视 场 角 也 要 求 越 来 越 大 ， 离 轴 非 球 面 将 成 为 光 学 系 统 中 必 不 可 少 的 元 器 件 之 一 。然 而 近 年 来 ， 非 球 面 检 测 水 平 的 滞 后 越 来 越 成 为 制 约 非 球 面 发 展 的 重 要 因 素 之一 。 虽 然 非 球 面 的 检 测 方 法 有 很 多 ， 但 都 存 在 着 各 自 不 同 的 局 限 性 。 本 文 针 对 非 球 面 ，尤其是离轴非球面的测量问题，探讨了三坐标轮廓测量仪（CMM）检测非球面的方法，主要进行了以下几方面工作：1、 介 绍 几 种 常 用 的 非 球 面 检 测 方 法 ， 着 重 总 结 和 归 纳 了 利 用 三 坐 标 轮 廓 测 量 仪检 测 非 球 面 的 思 路 与 方 法 。2、 对 三 坐 标 轮 廓 测 量 仪 检 测 非 球 面 的 原 理 进 行 了 详 细 的 分 析 ， 并 在 此 基 础 之 上 ，分析了非球面检测过程中各种误差形成的原因以及它们对测量结果的影响。3、 选 取 合 适 的 数 学 方 法 ， 求 解 出 实 际 应 用 中 误 差 相 应 的 数 值 。 建 立 了 三 坐 标 轮廓 测 量 仪 测 量 非 球 面 的 误 差 校 正 模 型 ， 它 不 仅 适 用 于 轴 对 称 非 球 面 ， 而 且 还 能 够 处 理离 轴 非 球 面 的 测 量 数 据 。4、 通 过 matlab 与 c 语言结合编写了相关程序，理论模拟及对实际非球面进行的实验结果证明了模型和程序的可行性和准确性。另外，利用 MFC 设计了程序操作界面。关键词：三坐标轮廓测量仪；非球面检测；误差；离轴非球面；模型作 者 ： 王 建 明指 导 教 师 ： 郭 培 基IAbstract Study on Aspheric Surface Measurement Using Coordinate Contour Measuring MachineStudy on Aspheric Surface Measurement UsingCoordinate Contour Measuring MachineAbstractAspheric surface, which have the deviation with spherical surface, are being usedwidely in various optical systems. Compared with spherical surface, aspherics have a seriesof advantages, such as improve image quality, correct aberration, expand field of view,increase the effective distance and make the optical system compact, lightweight. Off-axisaspheric system as one of the aspheric optical systems is not only able to improve systemresolution, expand viewing angle, but also to further reduce the size and weight of opticalsystem. Especially, with the rapid development of space optics, space sensor resolution isrequired higher and viewing angle is required larger. Off-axis aspheric surface will becomeone of the essential components in the optical system.However, in recent years, the hysteresis of aspheric detection level has increasinglybecome one of the important factors which are restricting the aspheric development.Although there are many aspheric detection methods, all these methods exist differentlimitations. Aim to the measurement of aspheric surface, especially off-axis asphericsurface, this paper discusses the method for testing aspheric surface with coordinatecontour measuring machine (CMM), the main work we did is as follows:1. Some common methods for testing aspheric surface were introduced; the previous ideasand methods of testing aspheric surface with three-coordinate contour measuringmachine were summarized.2. The principle of testing aspheric surface using CMM were detailed analyzed. And onthis basis, the reasons for the formation of errors in the aspheric surface detectionprocess and their impact on the measurement results were analyzed.3. An appropriate mathematical method that can solve the error value in the practicalIIStudy on Aspheric Surface Measurement Using Coordinate Contour Measuring Machine Abstractapplication was selected. And then the error correction model for testing asphericsurface with CMM was established. Both axis-symmetric and off-axis aspheric surfacemeasurement data are applied to the model.4. The relevant programs were compiled by the combination of matlab and c language. Thefeasibility and accuracy of the model and programs have been proved through thetheoretical simulations and the experimental results of the actual aspheric surfaces. Inaddition, the program operator interface was designed by using MFC.Key words: coordinate contour measuring machine; aspheric surface testing; error;off-axis aspheric surface; modelWritten by Wang JianmingSupervised by Guo PeijiIII目 录第一章 绪 论 . 11.1 研 究 背 景 . 11.2 非 球 面 检 测 技 术 概 述 . 31.2.1 非 球 面 基 本 理 论 . 31.2.2 非 球 面 检 测 技 术 . 61.3 课 题 研 究 的 目 的 、 意 义 和 论 文 主 要 内 容 . 91.3.1 课 题 研 究 的 目 的 、 意 义 . 91.3.2 论 文 主 要 内 容 . 10第二章 三坐标轮廓测量仪检测非球面工作原理 .