激光聚变靶丸球面经纬迹线优化球度测量方法

针对激光聚变靶丸表面3D全形貌的高精度测量与评价难题,提出一种基于激光差动共焦原理的靶丸球面经纬迹线优化球度测量方法。该方法采用经纬迹线划分方案提高形貌信息采样覆盖率,实现靶丸球面形貌高效高精度测量。首先,利用差动共焦测量系统对靶丸球面经纬迹线上二维圆周采样点进行精准定焦,获取二维轮廓信息;然后,利用精密三维位姿调整机构和正交回转轴系切换被测截面,获取覆盖靶丸全球面多条经纬迹线处的高度信息;最后依据建立的靶丸球面经纬迹线三维坐标转换模型,采用最小二乘算法对靶丸球度进行高精度评定,并对靶丸表面进行形貌重构。实验结果表明：测量57条迹线,被测靶丸的球度误差为1.946μm。该方法为靶丸表面全形貌高精度测量与评定以及定性观察提供了可行性方案。     

激光 ICF 聚变靶丸轮廓测量系统标定方法

针对激光惯性约束聚变靶丸轮廓高精度测量系统的溯源标定问题,提出一种基于激光差动共焦测量原理的标定溯源方法。该方法基于激光差动共焦靶丸测量系统轴向响应曲线过零点精确对应测量系统焦点的性质,首先利用激光差动共焦靶丸测量系统测量经中国计量科学研究院计量检定的标准椭圆块的圆度,其次通过比对测量值和标准椭圆块圆度计量值,得出该系统测量传递系数为1.03,最后通过多次检定验证测量的方法,完成系统的高精度标定。实验结果显示,利用标定完成的系统进行激光聚变靶金属球比对测量,其标准差为37 nm,该标定方法的测量重复性为17 nm,其为靶丸表面轮廓的高精度测量奠定了坚实基础。     

激光差动共焦曲率半径测量系统的研制

针对国内高精度曲率半径计量需求,研制一套激光差动共焦曲率半径测量系统.该系统采用差动共焦定焦技术,利用轴向光强响应曲线的过零点精确对应物镜聚焦焦点这一特性,借助过零点对被测件的猫眼和共焦位置进行精密瞄准定位,通过干涉测长技术获取两点间的距离,继而实现曲率半径的高精度测量.该测量系统的机电控制由主控软件完成,可实现机电扫描、数据采集及数据处理,自动化程度高.实验证明,该系统定焦灵敏度高,受环境波动影响小,测量精度可达3×10-6,满足了高精度曲率半径的计量需求.     

用于惯性约束聚变靶丸测量的激光差动共焦传感器

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题,研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS).该传感器基于差动共焦原理,利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位,并结合物镜微位移驱动技术,实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量.该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响,显著提高了系统的抗干扰能力.将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合,实现了对被测样品的精确瞄准.初步实验与理论分析表明:当测量物镜的数值孔径NA为0.65时,LDCS的轴向分辨力优于5 nm,信噪比优于1 160,过零点的标准偏差为10 nm.该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径.     

球面拼接镜的相对曲率半径测量

为了实现对拼接镜子镜之间相对曲率半径的精确测量,提高各子镜曲率半径的匹配精度,提出了一种使用Shack-Hartmann传感器和高精度球径仪测量球面子镜相对曲率半径的新方法,并建立了一个实验系统。该方法首先使用共焦调整方法使各子镜共焦,用S-H传感器测量子镜的轴向离焦量,轴向调整压电陶瓷促动器,使由传感器测得的离焦量接近于0;最后,再对子镜进行一次共焦调整之后,使用高精度球径仪来测量各子镜之间的相对曲率半径差。实验采用的拼接镜由3块对边长300mm的正六边形子镜组成,子镜为球面,设计曲率半径为2000mm。分析测试结果表明,该方法测得的球面拼接子镜的相对曲率半径精度约为1μm,该方法表明适用于大型球面拼接镜面望远镜各子镜相对曲率半径的检测。     

球面拼接的相对曲率半径测量

拼接镜面加工制造的最大难题是匹配各子镜,即使各子镜的曲率半径完全匹配,使其能够等效成一个单一的主镜,对于球面拼接镜,就是要求各子镜的曲率半径相同。本文提出了一种使用Shack-Hartmann传感器和高精度球径仪对球面子镜的相对曲率半径进行测量的新方法,并建立了一个实验系统。该方法先使用共焦调整方法使各子镜共焦,然后再用S-H传感器测量子镜的轴向离焦量,轴向调整压电陶瓷促动器,使由传感器测得的离焦量接近于0,最后对子镜进行一次共焦调整之后,就可以使用高精度球径仪测量出各子镜之间的相对曲率半径差。实验中,拼接镜由三块对边长300mm的正六边形子镜组成,子镜面形为球面,设计曲率半径为2000mm。分析及实验表明,该方法测得的球面拼接子镜的相对曲率半径差精度约为 ,方法适用于大型球面拼接镜面望远镜各子镜相对曲率半径的检测。     

激光共焦透镜曲率半径测量系统

基于共焦技术独特的轴向层析定焦能力并结合气浮导轨平移台和激光干涉仪测长系统,研制了一套高精度、非接触激光共焦透镜曲率半径测量系统。该系统利用共焦轴向光强响应曲线的峰值点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,使用峰值点对被测透镜的猫眼位置及共焦位置进行精确定位,并结合激光干涉仪获得透镜猫眼位置及共焦位置坐标值,从而计算得到透镜的曲率半径。系统由主控软件控制气浮导轨带动被测透镜在猫眼位置及共焦位置附近进行扫描测量,并实现信号采集和数据处理。实验表明,利用该系统测量透镜的曲率半径时,测量重复性优于2 μm,满足国内高精度透镜曲率半径测量的精度需求。该系统测量速度快、操作简便、结构简单且易于实现小型化。     

激光聚变靶丸球度测量与评定

为了解决激光聚变靶丸表面形貌高精度测量与评定的难题,提出一种激光差动共焦靶丸球度测量与评定方法,该方法利用激光差动共焦测量系统的轴向响应曲线的过零点与其物镜焦点位置相对应这一特性实现对靶丸表面的定焦,通过将靶丸在两个正交的方向上分别旋转,测量并获取靶丸表面的数个截面,实现靶丸表面全形貌测量,利用最小区域球度评定算法,建立靶丸球度评定的三维模型,对靶丸表面形貌进行定量评定。搭建实验装置对靶丸表面进行采样测量,评定结果显示,该方法的测量重复性为0.15μm,为靶丸表面形貌测量与评定提供了一种可行方案。     

激光差动共焦透镜中心偏测量系统设计与实现

针对国内外透镜中心偏高精度测量的迫切需求,研制了一套激光差动共焦透镜中心偏测量系统。该系统从中心偏非接触测量的核心定焦原理入手,结合激光差动共焦定焦技术,解决了清晰度法定焦精度差的难题。在光学测量系统误差分析的基础上,对系统再次优化设计,并利用差动共焦轴向光强响应曲线过零点的位置与被测镜猫眼和共焦点精确对应这一特性,实现了透镜中心偏的高精度测量。通过实验表明,该系统测量精度为0.49%,与传统的清晰度法定焦测量相比,透镜中心偏的测量精度有效提高了6倍。该系统将差动共焦定焦技术有效的应用于透镜中心偏测量中,提高了被测镜猫眼和共焦位置的定焦能力,实现了高精度测量系统的设计,在光学测试和透镜加工及装配领域具有广阔的应用前景。     

基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法

针对轴向扫描式差动共焦测量法(ASDCM)测量轮廓效率低下问题,提出一种基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法。该方法使用激光差动共焦轴向响应曲线数百纳米量程的线性区间实现了表面连续轮廓高精度线性传感测量,提高了测量效率;同时引入基于卡尔曼预测器的轮廓跟踪原理利用已测轮廓点数据对未测表面预测并跟踪,扩展了线性传感轮廓测量法测量范围。实验结果表明,该方法相对于ASDCM法测量效率提升了8倍,且实现了轮廓PV值大于线性传感测量范围的标准椭圆柱高精度跟踪测量,激光聚变靶丸内轮廓圆度重复测量标准差达3 nm。为精密元器件表面连续轮廓的高精度、快速、无损测量提供了一种高质量方法。     

High-precision radius measurement of ball indenter

To solve the problem of calibrating the radius of a ball indenter in a hardness tester, a laser confocal radius measurement and calibration method for the ball indenter is proposed without separating the ball from the body of the indenter. The laser confocal radius measurement and calibration method uses the maximum of the confocal axial intensity curve to precisely identify the cat’s eye and confocal position of the test ball indenter. The distance between these two positions is then measured to achieve high-precision radius measurement. The theoretical analyses and experimental results indicate that the radius measurement uncertainty of the ball indenter with a diameter of 1.5875 mm is within 0.12 μm.     

Study of micro ball end mill geometry and measurement of cutting edge radius

Cutting edge radius plays an important role in conventional micro machining process, as it is of the same order as uncut chip thickness. Therefore it is important to measure the edge radius accurately. There is no recommended methodology, as of now, to measure edge radius of a ball end mill. An attempt is made in this paper to study edge radius of ball end mill at normal and transverse planes on a virtual ball end mill generated using kinematic relations in CAD environment. In the present study, non-destructive methods using confocal microscope and stereo microscope are used to measure edge radius. These measurements capture the edge radius on the transverse plane. For confirmation, the tool sectioned in the transverse plane by a low speed diamond saw is examined under scanning electron microscope and the radius is assessed using suitable software. Among the non-contact approaches proposed in this work, confocal method appeared to be more reliable considering the reproducibility aspect.     

基于条纹反射的陶瓷球表面缺陷快速检测算法

陶瓷球是一种广泛应用于精密轴承的基础零件,目前尚无成熟的陶瓷球表面缺陷检测设备。为此设计了一种基于条纹反射的陶瓷球表面缺陷快速视觉检测算法。该算法借助图像预处理、灰度累积差分定位、边缘检测、行间差分及模板匹配等方法来定位特征点,然后根据其数量评判球面是否存在缺陷。对直径6.35 mm的黑色氮化硅陶瓷球进行了检测,单幅灰度图缺陷检测时间0.78秒,检测极限为16.5μm。     

The factors affecting surface roughness measurements of the machined flat and spherical surface structures – The geometry and the precision of the surface

The quantitative determination of surface roughness is of vital importance in the field of precision engineering. This paper presents an experimental study of the roughness analyses for the flat and spherical surfaces of machined metal in order to compare the roughness data taken from the cloud data produced by the stylus type profilometer and two optical-based measurement instruments, namely the infinite focus microscope and the confocal laser scanning microscope.In this experimental study, the roughness measurements for fifteen flat and six spherical surfaces were repeated six times using three different measurement instruments. Great care was paid to measure the same location for each measurement. For the comparison of the measurement techniques, the same measurement process was applied to the flat and spherical surfaces individually, and the configurations of the measurement instruments (filter type, cut-off, resolution etc.) were synchronized. R_a, two-dimensional (2D) roughness parameter and S_a, three-dimensional (3D) roughness parameter were also compared. The measurement results for the samples having spherical surfaces indicated a considerably high difference in values taken from the stylus profilometer and two optical-based measurement instruments in contrast to those for flat surfaces.     

一种扫描式铸轧板带凸度检测方法

根据铸轧工艺的特点,文章提出了一种扫描式铸轧板带凸度检测的方法,即采用双束激光差动扫描测量板带的厚度分布,从而计算出板带的凸度。文章设计了激光板凸度检测装置,现场应用表明,系统可以满足铸轧板凸度检测与控制的要求,具有成本低、精度高等特点。