Алгоритм измерения геометрических параметров оптических поверхностей freeform с использованием координатно-измерительной машины

В настоящее время становится всё более популярным применение в оптических системах различного назначения поверхностей freeform (свободной формы) – от мобильных дисплеев до космической оптики. Это конструкторское решение позволяет приблизиться к мечте: создать систему с минимальным числом компонентов, малым весом и высоким качеством изображения. Однако с усложнением поверхностей возникают проблемы с их контролем. Целью исследования являлась разработка алгоритма измерения таких поверхностей с использованием координатно‑измерительных машин и формулирование технических требований к процессу измерений. Приведён анализ преимуществ оптических поверхностей freeform. Отмечается, что из‑за отсутствия симметрии и переменной высоты профиля классические методы измерений для таких деталей неприменимы. Алгоритм контроля на координатно‑измерительной машине предполагает два основных подхода: высокопроизводительное «быстрое сканирование» для оценки общих отклонений от номинала и более точное, но трудоёмкое сканирование по сечениям, позволяющее получить детальные количественные данные о профиле поверхности. Основное внимание в работе уделено алгоритму проведения измерений и требованиям к процессу: предварительной температурной адаптации оборудования, обязательной калибровке щупов по керамическому эталонному шару и программному ограничению перемещений инструмента для защиты полированных поверхностей. Предложенный алгоритм, основанный на использовании CAD‑моделей, позволяет достичь требуемой точности контроля сложных поверхностей на стандартном заводском оборудовании, несмотря на значительные временные затраты по сравнению с измерением асферических поверхностей.

1. Xu H, Yang T, Cheng D, Wang Y. Compact freeform near-eye display system design enabled by opticaldigital joint optimization. Front. Phys. 2024;(12). DOI: 10.3389/fphy.2024.1440129

2. Liu Y, Bauer A, Viard T, Rolland JP. Freeform hyperspectral imager design in a CubeSat format. Optics Express. 2021;29(22):35915‑35928. DOI: 10.1364/OE.439530

3. Bauer A, Zhang C, Rolland JP. Multiconfi ration afocal freeform telescopes. Optics Express. 2024;32(4):6154‑6167. DOI: 10.1364/OE.516961

4. Sun Y, Wei Y, Zhao J. Adaptive design of longfocal‑length freeform off‑axis refl space cameras with lightweight and integration of primary/tertiary mirror. Front. Phys. 2024;(12). DOI: 10.3389/fphy.2024.1481131

5. Kashirin V.I. Fundamentals of shaping optical surfaces: course of lectures/V.I. Kashirin. Ekaterinburg: State Educational Institution of Higher Professional Education USTU‑UPI. 2006;254 p.

6. Greisukh GI, Ezhov EG, Levin IA, Kazin SV. Compact periscope-type objective based on wedgeshaped prisms with free-form surfaces. Journal of Optical Technology. 2021;88(10):553‑557. DOI: 10.1364/JOT.88.000553

7. Falaggis K, Rolland J. [et al.]. Freeform optics: introduction. Optics Express. 2022;30(4):6450‑6455. DOI: 10.1364/OE.454788

8. Gribovsky AA, Andreev YuS, Afanasyev MYa. Integrated production technologies and modern modeling environments in instrument making. St. Petersburg: ITMO University, 2015. 139 p. (pp. 8‑20)

9. Krasnov DI. Calculation of a diffraction corrector for monitoring a free‑form surface. Polytechnic youth journal. 2022;(8). DOI: 10.18698/2541-8009-2022-8-819

10. Yicun S, Yichen Y, Chenglin Y, Gaiyun H. A new scanning lines distribution strategy for the form error evaluation of freeform surface on CMM. Measurement. 2021;(181):1‑20. DOI: 10.1016/j.measurement.2021.109578

11. Certificate of approval of a type of measuring instrument: DE.C.27.004.A No. 48087. ACCURA coordinate measuring machines: approved 13.09.2012 / Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH, Germany. URL: https://teh-docs.steelcam.org/koordinatno-izmeritelnoe-oborudovanie/zeiss/gosreestr-opisanie-tipa-si-51180-12-zeiss-mashinykoordinatnye-izmeritelnye-accura-page2 (date of access: 25.01.2026).