基于CCD的高精度非球面测量与控制技术

　　1　引　　言

　　非球面在高功率激光技术、航天技术、天文光学、高能物理和军事技术等领域的应用越来越普遍。为了提高强激光工程中的输出功率,减少装置体积和光学元件数量,提高激光的聚焦精度,对非球面镜的表面加工精度要求特别高[1]。本文采用一种基于CCD为核心部件的非球面表面精度测量机构,构成以CCD为测量环节的CCOS系统。利用数字图像处理技术,对非球面宏观形貌和微观形貌的表面精度进行测量和控制。

　　2　测量机构组成原理

　　CCD摄像机具有类似人眼的工作方式,能动态地获取外界图像。本文采用两个彩色面阵CCD摄像机以一定夹角摄取非球面上同一微小区域的表面形貌,测量过程中,CCD摄像机由精密的运动机构驱动沿非球面的径向运动,非球面镜沿对称轴转动,CCD摄像机将非球面表面形貌的每一个微小区域进行摄像,测量机构如图1所示。

　　非球面表面形貌借助于光学物镜成像在CCD摄像机的光敏面上,通过光电转换、电荷储存、电荷信号传输和电荷信号扫描拾取等一系列过程,最终从CCD摄像机中输出非球面表面形貌图像的全电视视频信号,经图像采集卡传入微机中,通过数据处理形成数字化的立体图像,存入内存。

　　3　基于CCD的CCOS系统

　　计算机控制光学表面成型CCOS技术是用一个比被加工零件小得多的磨头(磨盘或抛光盘),在计算机的控制下,以一定的路径、速度和压力对光学表面作相对运动进行研磨和抛光,通过改变任一区域的研磨抛光时间(驻留时间)、接触压力或磨头运转速率,精确地确定工件材料的去除量,完成光学表面成型或抛光,达到修正误差、提高精度的目的。

　　3.1　系统组成

　　基于CCD的CCOS系统框图如图2所示。

　　3.2　工作原理

　　对非球面进行研磨加工,首先要对加工件表面进行形面测量,确定加工材料的去除函数。两个相互间夹角为20度的彩色面阵CCD摄像机对非球面表面进行形面测量,通过微机中建立的一套基于Windows工作平台的控制系统软件,对图像进行实时采集和分析处理。由被测非球面的方程可确定被测非球面最接近的标准非球面数据库,将已记录的特征数据与微机数据库中的理想数据进行比较和相关的计算处理,得到加工面的形面误差。为了得到补偿加工数据,通过形面误差与预测值比较,确定下一次研磨加工的主要加工工艺参数。然后生成研磨加工的数控加工代码,在研磨机床上进行研磨加工,去除存在的形面误差。这个过程不断地进行下去,使得形面误差不断地减小,直到符合工件的形面误差要求。非球面表面精度测量的精确程度将影响加工时的材料去除量。