光電所結構光技術實現自由曲面的高精度面形檢測
2020-11-30 中國科學院光電所結構光技術實現自由曲面的高精度面形檢測
2018-08-22 光電技術研究所
語音播報
光學系統是現代科技探索與發現的「眼睛」，在現代文明的發展中扮演著舉足輕重的角色。作為光學系統中最為核心的光學鏡面，其面形質量的好壞直接影響著光學系統的整體性能。隨著科技的不斷發展，人們對光學系統性能的要求越來越高，不僅需要校正常見的像差還要能夠校正非共軸系統的離軸像差，同時還要求系統小型化。由球面或非球面構成的傳統共軸光學系統，已逐漸無法滿足要求。在這樣的情況下，光學自由曲面元件應運而生。
近年來，光學元件的研究熱點已經慢慢地從非球面發展升級為自由曲面。相較傳統球面及非球面而言，光學自由曲面具有無與倫比的優勢，設計自由度更大，變量個數多，表面自由度變化大，結構靈活，可以突破傳統光學元器件的限制，校正幾乎所有像差，有效提高系統性能的同時簡化系統結構，減少光學元件數量，減小光學系統體積和重量，滿足現代光學系統小型化高性能的要求，具有良好的應用前景。光學自由曲面被美國羅切斯特大學的教授譽為新世紀以來光學領域的一次「革命」，將使光學行業產生重大變革。然而，由於面形複雜和非常大的曲率變化，給自由曲面的高精度檢測帶來很大困難，成為限制其高加工與更廣泛應用的瓶頸。結構光條紋檢測技術具有結構簡單、成本低、靈敏度高、動態範圍大的特點，通過高精度的系統標定可以獲得很高的測量精度，可以滿足自由光學曲面的高精度檢測需求。
中國科學院光電技術研究所先進光學研製中心副研究員趙文川科研團隊多年來一直致力於結構光面形檢測技術的研究工作，將結構光技術引入光學鏡面的面形檢測之中，提出了多種結構光鏡面面形檢測方法，實現了對大口徑非球面、離軸非球面以及自由曲面的高精度面形檢測。圖1所示為對一塊離軸非球面分別採用三坐標機、結構光和幹涉儀進行測量的結果。從圖中可以看出，此時已是三坐標機測量精度的極限，結構光技術與幹涉儀的結果是一致的。
該結構光面形檢測技術可擴展應用至汽車抬頭顯示系統HUD、手機屏幕等電子工業產品的在線面形檢測系統中，可實現產品質量的全檢，滿足工業生產廠商對產品質量的嚴格控制要求。圖2所示為手機屏幕蓋板玻璃表面面形的檢測結果。圖3為汽車抬頭顯示系統HUD中一塊自由曲面反射鏡的檢測結果。
相關論文發表在《光電工程》2018年第7期上（趙文川, 周敏, 劉海濤, 等. 離軸非球面的條紋反射檢測技術[J]. 光電工程, 2018, 45(7): 170663. DOI:10.12086/oee.2018.170663）。
圖1 離軸非球檢測結果對比
圖2 手機屏幕的結構光檢測面形圖
圖3 結構光檢測HUD中自由曲面反射鏡
光學系統是現代科技探索與發現的「眼睛」，在現代文明的發展中扮演著舉足輕重的角色。作為光學系統中最為核心的光學鏡面，其面形質量的好壞直接影響著光學系統的整體性能。隨著科技的不斷發展，人們對光學系統性能的要求越來越高，不僅需要校正常見的像差還要能夠校正非共軸系統的離軸像差，同時還要求系統小型化。由球面或非球面構成的傳統共軸光學系統，已逐漸無法滿足要求。在這樣的情況下，光學自由曲面元件應運而生。
近年來，光學元件的研究熱點已經慢慢地從非球面發展升級為自由曲面。相較傳統球面及非球面而言，光學自由曲面具有無與倫比的優勢，設計自由度更大，變量個數多，表面自由度變化大，結構靈活，可以突破傳統光學元器件的限制，校正幾乎所有像差，有效提高系統性能的同時簡化系統結構，減少光學元件數量，減小光學系統體積和重量，滿足現代光學系統小型化高性能的要求，具有良好的應用前景。光學自由曲面被美國羅切斯特大學的教授譽為新世紀以來光學領域的一次「革命」，將使光學行業產生重大變革。然而，由於面形複雜和非常大的曲率變化，給自由曲面的高精度檢測帶來很大困難，成為限制其高加工與更廣泛應用的瓶頸。結構光條紋檢測技術具有結構簡單、成本低、靈敏度高、動態範圍大的特點，通過高精度的系統標定可以獲得很高的測量精度，可以滿足自由光學曲面的高精度檢測需求。
中國科學院光電技術研究所先進光學研製中心副研究員趙文川科研團隊多年來一直致力於結構光面形檢測技術的研究工作，將結構光技術引入光學鏡面的面形檢測之中，提出了多種結構光鏡面面形檢測方法，實現了對大口徑非球面、離軸非球面以及自由曲面的高精度面形檢測。圖1所示為對一塊離軸非球面分別採用三坐標機、結構光和幹涉儀進行測量的結果。從圖中可以看出，此時已是三坐標機測量精度的極限，結構光技術與幹涉儀的結果是一致的。
該結構光面形檢測技術可擴展應用至汽車抬頭顯示系統HUD、手機屏幕等電子工業產品的在線面形檢測系統中，可實現產品質量的全檢，滿足工業生產廠商對產品質量的嚴格控制要求。圖2所示為手機屏幕蓋板玻璃表面面形的檢測結果。圖3為汽車抬頭顯示系統HUD中一塊自由曲面反射鏡的檢測結果。
相關論文發表在《光電工程》2018年第7期上（趙文川, 周敏, 劉海濤, 等. 離軸非球面的條紋反射檢測技術[J]. 光電工程, 2018, 45(7): 170663. DOI:10.12086/oee.2018.170663）。
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