尽可能地增大出射光强，提高光通量利用率，是准直照明系统二次光学设计的研究目标。分别针对纯折射型和全内反射型的准直照明系统，研究了光源参数对其照明性能的影响，从理论上推导了系统出射光强、光通量利用率与光源出射度和配光曲线指数之间关系的表达式，并进行了实验验证。研究结果表明，系统出射光强与光源出射度成正比。光源配光曲线指数较小时，相比纯折射型准直照明系统，全内反射型准直照明系统的光通量利用率更高、出射光强更大、照明范围更广；但当光源配光曲线指数较大时，纯折射型准直照明系统具有更大的出射光强和更优的光斑陡边性。该结论可为准直照明系统二次光学设计中光源参数与配光元件结构的匹配优化提供理论依据。

扩展光源准直照明系统的出射光束发散特性决定了其极限照明距离的大小。基于费马原理,给出了平凸准直透镜面型的解析表达式,根据成像光学相关理论推导出扩展光源条件下准直照明系统中出射光束发散角的计算公式,并进行了模拟仿真和实验验证。研究发现扩展光源准直照明系统中出射光束的发散角与光源发光区域的尺寸成正比,与准直透镜的焦距成反比,与透镜口径无关。该结论可为扩展光源准直照明系统出射光束发散角的压缩和极限照明距离的拓展提供理论依据,对探照类灯具研制中光源的选择、准直配光透镜的设计有指导意义。

扩展光源的二次光学设计对于开拓大功率发光二极管(LED)在照明领域的应用具有重要意义。分析扩展光源条件下匀光配光系统照明效果的退化原因,提出一种折射率预补偿方法,并基于该方法针对8 mm口径的扩展光源设计匀光配光透镜。仿真结果表明:经该透镜配光后,目标面上的光斑塌边长度大幅减小,陡边性变好;有效照明区域增大,有效照明区域平均照度提升,归一化均方根进一步减小,照度均匀性明显改善;光线能量更集中于有效照明区域,照明效率显著提高。该方法原理简单,效果显著,为扩展光源实现匀光照明提供了一种新思路。

研究了齿轮误差三维评定方法, 以消除测量仪器定位误差对齿轮误差评定的影响, 提高齿轮测量仪器的测量精度。分析了传统齿轮二维评定方法的弊端, 提出将齿轮误差评定从二维评定模式转变为三维评定模式。该评定模式不再要求齿轮各项误差测量点位于特征面内, 实现了三维空间内的齿轮误差测量与评定。为提高齿轮三维误差评定算法的效率, 通过螺旋降维方法将三维数据降至二维数据, 再对二维测量数据进行各项误差的评定。以特大型齿轮激光跟踪在位测量系统作为实验对象, 对4级标准齿轮的齿廓误差进行了测量, 并与传统的齿轮二维误差评定方法以及德国ZEISS公司InvolutePro软件的评定结果进行了对比。结果表明: 传统齿轮二维误差评定方法有较大误差, 三维齿廓评定方法与德国ZEISS公司InvolutePro软件评定结果一致, 精度达到0.1 μm, 证明了提出的齿廓误差三维评定方法完全正确, 可以消除仪器定位误差对测量结果的影响, 提高了测量仪器的测量精度。

为了实现特大型齿轮精密测量, 介绍了作者提出的特大型齿轮激光跟踪在位测量原理, 重点阐述了其中的几项关键技术。特大型齿轮激光跟踪在位测量系统整合了激光跟踪仪的大尺寸测量能力和三坐标测量机的高精度, 采用激光跟踪仪建立齿轮工件坐标系和三维测量平台坐标系, 通过激光跟踪仪坐标系将齿轮工件坐标系与三维测量平台坐标系关联起来, 并建立了相应坐标系的拟合模型及算法。同时, 建立了三维测量平台的姿态调整模型, 通过姿态调整机构完成了三维测量平台的姿态调整, 进而确保三维测量平台与齿轮轴线的位置关系满足要求。最后, 给出了该在位测量系统的实测结果。实验结果表明: 特大型齿轮激光跟踪在位测量系统原理正确可行, 满足6级以下特大型齿轮的精密测量。

介绍了坐标测量中几种常用的不确定度评价方法。指出传统的三坐标测量机的测量不确定度评价方法大都不适用于评价坐标测量中面向对象的测量不确定度，并对使用蒙特卡洛方法评价测量不确定度进行了研究。首先，根据三坐标测量机详细标定文件及补偿策略说明建立测量模型。然后，将测量中的采样点通过测量模型生成大量测量结果，并以此评价测量不确定度。在齿廓评价实验中，评定齿廓误差的测量不确定度为0.96 μm时，多次评价结果之间的最大差值不超过0.03 μm，具有可靠的理论依据和较稳定的评定结果。文章指出，目前商用三坐标测量机大都不能为特定的测量对象提供测量不确定度报告，使用蒙特卡洛方法有希望改变此现状。