第43卷第3期航天返回与遥感
2022年6月SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING51
罗小葵孙海洋张宁董书岳马玉洋
（北京空间机电研究所，北京100094）
摘要检测与评价是保障遥感器光学镜面各加工阶段面形精度的必要条件。在镜面加工的铣磨、研磨、粗抛阶段，由于面形偏差及粗糙度过大，通常采用三坐标接触式测量法来测量评价面形质量从而指导面形加工，但检测效率低。文章阐述了一种基于三坐标测量机的新的、非接触式光学检测方法——三坐标白光扫描，同时对该检测方法的扫描参数、反射镜表面反射率是否影响检测精度开展了实验研究，并与三坐标接触式测量法进行了精度比对。研究表明白光扫描检测精度不受扫描参数及反射镜表面反射率的影响，且与接触式三坐标测量法精度基本相当，同时提高检测效率80%以上。 关键词面形偏差白光共聚焦扫描速度反射率检测精度遥感器
中图分类号: TH721; TP706文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2022)03-0051-09 DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2022.03.006
Research on the Detection Accuracy of Mirror Surface Figure by
Three-coordinate White Light Scanning
LUO Xiaokui SUN Haiyang ZHANG Ning DONG Shuyue MA Yuyang
（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）
Abstract Detection and evaluation are necessary to ensure the surface accuracy of the optical mirror for the space optical remote sensor in each processing stage. In the milling, grinding, and rough polishing stages, due to the excessive surface figure deviation and roughness, the three-coordinate contact measurement method is usually used to measure and evaluate the surface quality to guide the surface processing, but the detection efficiency is low. This paper expounds a new non-contact optical detection method based on the three-coordinate measuring machine—three-coordinate white light scanning. At the same time, an experimental study is carried out on whether the scanning parameters of the detection method and the reflectivity of the mirror surface affect the detection accuracy, and the accuracy is compared with the three-coordinate contact measurement method. The research shows that the detection accuracy of white light scanning is not affected by the scanning parameters and the reflectivity of the mirror surface, and the accuracy is basically the sam
e as that of the contact three-coordinate measurement method, and the detection efficiency is improved by more than 80%.
Keywords surface figure deviation; white light confocal; scan speed; reflectivity; detection accuracy; remote sensor
收稿日期：2022-01-05
基金项目：国家重大科技专项工程
引用格式：罗小葵, 孙海洋, 张宁, 等. 反射镜面形三坐标白光扫描检测精度研究[J]. 航天返回与遥感, 2022, 43(3): 51-59.
LUO Xiaokui, SUN Haiyang, ZHANG Ning, et al. Research on the Detection Accuracy of Mirror Surface Figure by Three-coordinate White Light Scanning[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(3): 51-59. (in Chinese)
52 航 天 返 回 与 遥 感 2022年第43卷
0 引言
随着空间光学遥感器向着高性能、高稳定性、轻量化的发展趋势[1-2]，对大口径非球面反射镜的高精度、高效率制造能力提出了非常紧迫的需求，因为这是奠定整个光学系统高精度集成的基础[3]。在反射镜面加工过程中，检测评价是保障各加工阶段面形精度不可缺少的环节，其数据是确定后续加工参数的重要依据。目前常用的检测方法有干涉法和三坐标接触式测量法，前者检测精度高，检测精度可高达面形偏差峰谷值（The Peak Valley ，PV ）/20λ=（λ为氦氖激光器波长，632.8λ=nm ），但因受限于激光干涉仪量程以及对被测镜面反射率的要求，主要应用于精抛光及之后的阶段[4-6]。
在铣磨、研磨及粗抛光加工阶段的反射镜面形检测，通常采用机械接触式测量，其主要代表有三坐标测量法、激光跟踪仪法、轮廓仪法[7-10]。三坐标接触式测量是逐点采样，检测精度为微米级，无论是检测精度还是可靠性均满足产品相应加工阶段的要求，且已有多年的实际工程应用经验，是指导光学镜面加工的有效保障手段。但不足之处是检测效率低，米级口径的反射镜面形测试一次的时间约为1.5~2h ，而为了保证检测的有效和精确性，通常需连续测量两遍来查看测量数据的重复精度以确保检测结果的可靠，检测时间往往是修磨时间的数倍；特别在铣研磨阶段，反复送检次数多，最终拉长整个生产周期，进而严重制约光学镜的加工产能；同时，检测时间长，对检测设备及环境条件的稳定性提出了更高要求，否则将引入额外的测量误差。此外，接触式测量在检测过程中还存在损伤镜面的安全风险隐患[11]。所以提升三坐标面形检测效率和安全性是当前面临的一个新课题。
三坐标白光扫描是近几年新兴的检测技术，通过在三坐标测量机上配置白光共聚焦传感器，实现对光
学镜的非接触式测量，具有不限材质和表面、测量速度快、精度及安全性高的优势，可以弥补光学加工中原有三坐标接触式测量的不足。三坐标白光测量在国外光学领域得到了广泛应用，如德国不来梅大学应用科学学院使用该项技术测量欧洲E-ELT40m 大型望远镜中的2000mm×2000mm 望远镜镜片；英国Cranfield 大学和Zeeko 公司也使用同样的测量方式检测铣磨后的1.4m 非球面子镜等等。
但由于目前国内配备白光传感器的用户很少，基本无白光扫描技术的应用经验总结，所以该项技术的测量不确定度如何，与传统三坐标接触式测量精度是否相当是国内行业现阶段很关切的问题。针对该项技术，为能充分发挥白光扫描检测的技术优势，研究团队开展了一系列检测精度及可靠性的实验和验证，使之能大规模应用于工程实际，从而切实提升大口径反射镜检测质量和效率。
1 研究思路
本次研究是应用标准镜通过实验验证的方式对三坐标反射镜面面形白光扫描技术的检测精度进行评估确认，即使用白光扫描标准镜面形的检测数据作为其测量不确定度[12]。三坐标白光扫描与三坐标接触式测量法的核心设备均是三坐标测量机，只是配置其上的传感器不同，前者是白光共聚焦，后者是接触式扫描传感器，因此两种方法的主要测量误差来源都为三坐标测量机主机本身，但传感器工作原理不同，其引入的测量误差分量也会不同。前者使用的是光学测量原理，不同镜面材质和表面反射率可能会带来反射光的不同损失而造成测量误差大小的差异，另外，扫描速度、测量步长对采样精度也
可能存在影响。因此需研究白光扫描的各项检测参数和不同材质及表面对检测精度的影响，以及针对不同通光口径的镜面白光扫描精度的变化规律，并与三坐标接触式测量精度对比，了解两者的精度高低，以便在实际产品测试时能选择最适合的测量方式和参数，在确保精度的同时提高检测效率。
为了避免测量设备主机精度和测量环境温度随时间变化而引入新的测量误差，根据过往的工程经验，单次测试时间需限定在3h 以内。
第3期 罗小葵 等: 反射镜面形三坐标白光扫描检测精度研究 53
2 测量原理
2.1 白光共聚焦原理
卤素光源发出的白光，经过光导纤维、光纤耦合器及光学测头，照射至工件的表面，测头接收反射光后进行光谱差分析。白光由许多单光组成，其谱段范围为紫光的最小波长λmin –红光的最大波长λmax 。对应不同的被测物体到光学测头的距离，会对应一个精确波长为λ1的单光聚焦在工件表面，此时该聚焦单光的反射光光强达到最大，将在光谱上显示出一个明显的峰值，测头根据该波长峰值的光谱位置从而确定测头到被测表面的距离[13]。白光共聚焦原理示意，如图1所示。
图1 白光共聚焦原理示意
Fig.1 White light confocal schematic
2.2 三坐标白光扫描测量光学镜面形偏差原理
白光共聚焦传感器在三坐标测量机的三轴驱动
乳化液废水处理
下，沿着根据反射镜面理论方程或三维模型生成的
采样路径对被测镜面轮廓进行扫描采样，然后通过
计算机数据处理，完成对所测得点的分析拟合[14]，
还原出被测实际面形，并计算实际与理论面形之间
的偏差[15]，从而完成对被测镜面形的检测工作。光
学镜面形偏差三坐标白光测量原理示意如图2所示。
取样方法在本次检测精度的研究实验中，则将面形偏差
PV /10λ=、精度远远高于三坐标测量机精度的标准
镜作为被测反射镜，使用白光扫描测量标准镜面形得
到的测量结果作为三坐标白光扫描的测量不确定度。 3 实验方案
3.1 实验设备组成脉动测速中心
该实验选用一台配置白光共聚焦传感器和接触式扫描传感器的计量型三坐标测量机，以及不同材质及表面质量、通光口径的反射镜多个，如表1所示。
图2 光学镜面形偏差三坐标白光测量原理示意 Fig.2 Principle of three-coordinate light measurement of
mirror figure deviations
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表1 实验设备组成 Tab.1 Experimental equipment 名称 技术指标
三坐标测量机主机 测量行程（x×y×z ）：2400mm×1600mm×1000mm ；
长度测量最大允许示值误差为：（1.5＋L /600）μm （长度L ：mm ）；
最大允许探测误差为：1.0μm ；
最大重复误差：0.6μm
接触式扫描传感器 测力范围：（0.1~1.2）N 白光共聚焦传感器
测量范围：0~100μm ；
光斑直径：1.4μm ；
Z 向分辨率：10nm
1#未镀膜标准反射镜 通光口径d =500mm ，PV /10λ=，微晶玻璃材质，精密抛光亮泽表面
垫块模具2#研磨阶段反射镜 通光口径d =500mm ，碳化硅材质，研磨有光泽表面
3#铣磨阶段反射镜 通光口径d =500mm ，超低膨胀石英玻璃材质，无光泽表面
4#未镀膜标准反射镜 通光口径d =300mm ，PV /10λ=，微晶玻璃材质，精密抛光亮泽表面
5#未镀膜标准反射镜 通光口径d =700mm ，PV /10λ=，微晶玻璃材质，精密抛光亮泽表面
6#未镀膜标准反射镜
通光口径d =1 050mm ，PV /10λ=，微晶玻璃材质，精密抛光亮泽表面
3.2 实验流程
从以下三方面开展实验研究，流程如图3所示。
手动刨冰机白光扫描检测参数对反射镜面形检测精度影响：选
用1#未镀膜标准反射镜，通过改变扫描速度、测量步长，
对标准镜面形进行白光扫描检测，获得相应检测参数组
合下的面形检测误差，分析不同检测参数对光学镜面形
检测精度的影响，并确定最佳检测参数组合。
反射镜材质及表面反射率对镜面面形白光扫描检测
精度影响：选取1#标准反射镜的面形白光扫描检测精度
为最佳时的一组检测参数，分别对同等通光口径的1#微
晶玻璃材质标准反射镜、2#碳化硅材质研磨阶段反射镜、
3#超低膨胀石英玻璃材质铣磨阶段反射镜进行白光扫描
测试，分析不同的反射镜材质、镜面反射率对镜面面形
白光扫描检测精度的影响。此时采用白光扫描与接触测
量方式两者的检测结果差值来进行比对分析。
不同通光口径反射镜面形白光扫描检测精度变化规
律及白光扫描与接触式测量检测精度比对：选取1#标准
反射镜的面形白光扫描检测精度为最佳时的一组检测参
数，对4#、5#、6#标准反射镜面形进行白光扫描检测，
分析不同通光口径下的测量误差，研究不同口径反射镜
面形白光扫描检测精度的变化规律。同时与采用接触测量方式的检测结果进行比对，分析两者间的精度差异。
图3 实验流程 Fig.3 The experimental flow chart
第3期罗小葵等: 反射镜面形三坐标白光扫描检测精度研究 55
4 实验数据及结果分析
4.1 白光扫描检测参数对反射镜面形检测精度的影响
扫描速度与步长是白光检测执行前需要设置的参数。最终扫描点云获取的质量和数量与这两项参数直接相关。按照表2所列的参数组合，对1#微晶玻璃材质、通光口径d=500mm、未镀膜的标准反射镜进行同心等弧长布局的白光扫描测量，每个参数组合测量10次，将所得的测试结果面形偏差PV值求平均值作为该组合下的白光扫描检测精度。
表2 不同白光扫描检测参数下的面形测量数据
Tab.2 Surface measurement data under different white light scanning inspection parameters
扫描速度/（mm/s）d570
面形偏差PV值/μm
测量用时/min 测量步长2mm 测量步长5mm 测量步长10mm
10 1.411 9 1.504 0 1.506 4 29
20 1.385 6 1.494 4 1.508 7 15
30 1.407 8 1.392 3 1.506 7 10
40 1.507 1 1.507 1 1.498 7 8
50 1.389 4 1.510 4 1.519 8 7
60 1.581 4 1.518 4 1.507 6 7
70 1.577 0 1.557 2 1.530 5 7
80 1.613 9 1.525 1 1.515 9 7
90 1.614 7 1.563 2 1.524 3 7
100 1.696 4 1.570 7 1.549 5 7
图4是表2的图形化表达，直观反映扫描参数与检测精度的关系。从图4可看出，测量数据间的最大差值0.31μm，低于测量机主机本身的重复精度0.6μm，说明扫描速度和步长对检测精度无影响。扫描速度增大只会提升检测效率，但超过50mm/s后不再缩短采样用时，因为已超过测量机原厂设定的最佳速度范围。考虑数据细腻程度和效率的平衡，推荐参数组合为：测量步长2mm或5mm，扫描速度50mm/s。
图4 扫描参数与检测精度折线图
Fig.4 Line chart of scanning parameters and the detection accuracy
4.2 反射镜材质及表面反射率对镜面面形白光扫描检测精度的影响
设置测量步长5mm，扫描速度50mm/s，对同等通光口径（d=500mm）、不同材质和表面状态的1#、2#、3#反射镜进行白光面形扫描各10次并求各自平均值；同时也采用接触式测量法对该组反射镜进行对应检测，作为参照标准，与白光检测数据求差值ΔPV，作为白光扫描的检测精度。测量数据见表3，面形检测图示意如表4所示。
