螺旋面形貌测量中斜入射激光干涉仪系统的几何畸变综合校正方法

针对斜入射激光干涉测量螺旋面形貌时干涉图几何畸变（DMOP和DOCE耦合）导致的测量失效问题，研究人员提出融合光学元件位姿误差（CPE）与透镜畸变（ILD）的综合校正模型，通过六参数迭代算法优化参数，实验验证校正后干涉图更接近标准图像，为高精度形貌测量提供新方法。

　　

在精密制造领域，螺旋面形貌的高精度测量一直是技术难点。斜入射激光干涉法凭借亚微米级精度和非接触优势成为主流手段，但实际测量中，干涉图的几何畸变问题严重制约了测量可靠性。这种畸变来自两大“罪魁祸首”：测量光路本身的几何畸变（D_MOP）和光学元件误差（D_OCE）。前者因螺旋齿面（HTF）反射光发散和大入射角（LIA）导致图像压缩变形，后者则源于元件位姿误差（CPE）和成像透镜畸变（ILD）的叠加效应。现有研究多聚焦ILD校正，却忽视了CPE对波前形状的潜在影响，导致校正模型“治标不治本”。

针对这一技术瓶颈，国家特种车辆设计制造集成技术重点实验室的研究团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表论文，提出了一种革命性的综合校正方案。研究人员首先抽丝剥茧地解析了D_OCE的三大来源：偏振分光棱镜位置误差（PPE）、光学楔形镜位置误差（OPE）和ILD。通过建立融合位姿误差角度参数（g₁、g₂）与Wang模型透镜畸变参数的综合模型，创新性地开发了六参数迭代优化算法。实验采用1280×960分辨率的CCD传感器和3.5mm焦距镜头，以渐开线斜齿轮为样本验证显示，校正后干涉图与标准图像的匹配度显著提升。

关键技术方法包括：1）基于光线追迹法模拟测量光路畸变；2）建立包含CPE（PPE/OPE）和ILD的综合畸变模型；3）六参数迭代算法求解最优模型参数；4）通过实际斜齿轮测量验证校正效果（模数2.5mm，螺旋角15°）。

研究结果揭示：
• D_OCE来源分析：首次明确PPE导致图像压缩、OPE引发图像扭曲的作用机制，量化了光学楔形镜倾斜角误差对干涉条纹间距的影响。
• 综合校正模型：将ILD的径向/偏心畸变与CPE的线性变换耦合，模型参数包含透镜畸变系数(k₁,k₂)和位姿误差角(g₁,g₂)。
• 实验验证：校正后齿轮齿面干涉图的均方根误差降低42.7%，验证了模型对复合畸变的协同校正能力。

这项研究的突破性在于首次实现了斜入射干涉系统中光路畸变与元件误差的协同校正。相比传统单一校正ILD的方法，综合模型将齿面形貌重建精度提升至亚微米级，为齿轮、螺杆等复杂曲面零件的在线检测提供了新范式。未来通过将该模型集成到干涉仪控制系统，有望实现工业现场测量中的实时畸变补偿，推动精密制造质量监控的技术革新。