上海光機(jī)所精密光學(xué)制造與檢測中心在超精密光學(xué)自由曲面的單目偏折測量中取得新進(jìn)展，提出了空變球模型的迭代自適應(yīng)優(yōu)化算法，消除偏折測量中高度-斜率歧義性問題，實(shí)現(xiàn)自由曲面無先驗(yàn)?zāi)Ｐ蜅l件的高精度面形測量。該研究成果大大提高了單目偏折測量技術(shù)的靈活性和穩(wěn)定性，拓展了單目偏折測量技術(shù)對(duì)復(fù)雜未知模型光學(xué)元件的測量能力，為未來智能光學(xué)制造的發(fā)展打下基礎(chǔ)。相關(guān)成果以“Iterative space-variant sphere-model deflectometry enabling designation-model-free measurement of the freeform surface”為題發(fā)表于Optics Express。

自由曲面相比球面/非球面具有設(shè)計(jì)靈活、改善像質(zhì)、擴(kuò)大視場、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，將會(huì)為光學(xué)系統(tǒng)帶來革命性發(fā)展，是精密光學(xué)的前沿?zé)衢T研究方向。但自由曲面具有的非對(duì)稱性特點(diǎn)，對(duì)其面形誤差準(zhǔn)確、靈活的測量帶來了很大的挑戰(zhàn)。偏折術(shù)測量具有的精度高、動(dòng)態(tài)測量范圍大和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，很有潛力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光學(xué)表面高精度原位測量。然而，偏折術(shù)由于屏幕光線方向的不唯一性導(dǎo)致光線追跡過程中被測點(diǎn)高度和法向量存在多種可能的組合，所以存在著高度-斜率歧義性，不適用于未知面形或面形誤差較大的場景（如研磨和粗拋階段的面形誤差可達(dá)微米乃至毫米量級(jí)）。

針對(duì)該問題，本文提出一種空變球模型的迭代自適應(yīng)優(yōu)化算法，優(yōu)化最佳空變球模型提供被測自由曲面的初始解，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自由曲面無先驗(yàn)?zāi)Ｐ蜅l件的高精度偏折測量。根據(jù)鏡面反射定理，將4維空間球參數(shù)（X, Y, Z, R）問題簡化為1維空間球半徑參數(shù)（R）的優(yōu)化問題。根據(jù)偏折光線空間自約束條件迭代計(jì)算空間球半徑參數(shù)，實(shí)現(xiàn)空間球模型的自適應(yīng)優(yōu)化。此外，為了滿足復(fù)雜自由曲面的準(zhǔn)備模型估計(jì)，使用空變球模型進(jìn)行自由曲面逼近；并使用迭代重構(gòu)誤差來自適應(yīng)分割自由曲面，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自由曲面的高精度重建。這對(duì)未知模型的復(fù)雜自由曲面測量起到重要作用，且能極大地放寬工件定位精度要求，大大提高單目偏折測量的能力和適用范圍。

圖1.復(fù)雜自由曲面測量結(jié)果。(a) 商用LUPHOScan測量結(jié)果，（b）所提方法使用空變球模型逼近，（c）所提方法使用單空間球模型逼近，（d）傳統(tǒng)名義面形，（e）傳統(tǒng)平面模型。

相關(guān)工作得到了中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、國家高層次青年人才項(xiàng)目、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃、上海市自然基金等項(xiàng)目的支持。

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