CN104330051A - 大口径光学元件中低频面形快速检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大口径光学元件中低频面形快速检测装置和方法，包含数控机箱、主控计算机、测量龙门架、动态干涉仪、干涉仪精调机构、工作平台、气浮导轨。动态干涉仪安装在干涉仪精调机构上，干涉仪精调机构安装于测量龙门架的横梁上，测量龙门架置于气浮导轨上，测量龙门架和干涉仪精调机构通过电缆与数控机箱连接，主控计算机与数控机箱、动态干涉仪通过信号线连接，主控计算机安装有测量主控软件、动态干涉仪测量软件及全局波面拟合评价软件。该装置可以对子孔径数据全局波面拟合获得大口径被测面的中低频面形，降低了干涉测量对环境的敏感性，降低了对测量***几何精度的要求，设备集成度高，检测效率高，可扩展至车间环境下测量。

Description

大口径光学元件中低频面形快速检测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种大口径光学元件中低频面形快速检测装置和方法，属于光学检测技术领域。

背景技术

大口径光学元件在航天、军事等领域的应用日益广泛，这给大口径光学元件的加工和检测效率及质量都提出了巨大挑战。现有的高精度大口径光学元件的检测方法有两种，一种是采用大口径干涉仪直接测量，一种是小口径干涉仪拼接测量，前者成本过高，而且不具有在车间环境下测量的可能，因此后者成为了提高高精度检测效率的首选。即便如此，不同于隔振、恒温、恒湿的实验室条件，车间环境下的检测也存在诸多难点，比如在有震动的车间条件下干涉仪测量失效等。

现阶段运用较多的多孔径重叠扫描拼接法，需要测量若干个具有重叠区的子孔径，这些子孔径必须覆盖被测面全部面形，重叠区的大小、子孔径的定位误差等因素都会影响拼接精度，这对拼接***的几何精度提出了较高要求，而且覆盖全部被测面形的密集采样除了采样时间长所带来的测量不确定性风险外，给后续拼接计算也增加了大数据量计算的负担。实际应用中，特别是在加工现场工艺的分析和改进中，大尺寸光学平面测量很多只需关注中低频信息即可。本发明是针对加工车间等条件下大口径光学元件中低频面形的快速检测这一关键技术展开研究。

发明内容

本发明是针对加工车间条件下大口径光学元件中低频面形的快速检测要求，提出了一种大口径光学元件中低频面形的快速检测装置和方法。该装置相比传统测量装置而言，可扩展至车间条件下测量，采样孔径之间无需重叠，因而减少了采样孔径，降低了对测量***几何精度的要求，操作简便集成度高，有效提高了检测效率，是高效率检测大口径光学元件中低频面形的检测装置。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大口径光学元件中低频面形快速检测装置，包含数控机箱、主控计算机、测量龙门架、动态干涉仪、干涉仪精调机构、工作平台、气浮导轨，动态干涉仪安装在所述干涉仪精调机构上，所述干涉仪精调机构安装于所述测量龙门架的横梁上，测量龙门架置于气浮导轨上，被测件放置于所述的工作平台上，所述测量龙门架和所述干涉仪精调机构通过电缆与所述数控机箱连接，所述主控计算机与所述数控机箱通过信号线连接，所述主控计算机与所述动态干涉仪通过信号线连接。所述主控计算机安装有测量主控软件、动态干涉仪测量软件和全局波面拟合评价软件。

所述测量龙门架的横梁上安装横向位移滑座，通过驱动电机驱动精密滚珠丝杠实现横向移动，驱动电机通过电缆和数控机箱连接。

所述的干涉仪精调机构安装于横向位移滑座上，所述的干涉仪精调机构包括外框架，安装底板，安装面板，Z向精密滚珠丝杠，Z向驱动电机，第一微调丝杠及其驱动电机Ⅰ、第二微调丝杠及其驱动电机Ⅱ，动态干涉仪固定在安装面板上，第一微调丝杠和第二微调丝杠成对角线固定于安装面板和安装底板之间，另两个角通过螺栓固定连接，安装底板固定于Z向精密滚珠丝杠上，Z向精密滚珠丝杠安装于外框架上，各驱动电机通过电缆和数控机箱连接。

所述的工作平台的台面安装于闭式静压导轨上，采用直线电机驱动，直线电机与数控机箱通过电缆连接，台面上标记有初始零位。

所述主控计算机上安装的主控软件控制所述测量龙门架和工作平台Y向移动，控制横向位移滑座X向移动，控制干涉仪精调机构的Z向精密滚珠丝杠、第一微调丝杠、第二微调丝杠运动；所述主控计算机上安装的动态干涉仪测量软件可以配合动态干涉仪进行数据采集；所述主控计算机上安装的全局波面拟合评价软件可以将采集数据恢复出整体被测面形。

一种大口径光学元件中低频面形快速检测方法，采用上述大口径光学元件中低频面形快速检测装置进行测量，具体实施步骤为：

1）初始化参数设定：将被测件放置于工作平台初始零位，在所述主控计算机的测量主控软件中，输入被测件尺寸，则软件给出非重叠的子孔径数目、位置等信息；选择测量过程中Y向移动测量龙门架或者工作平台；

2）所述主控计算机发出指令，进入测量前校准模式：移动横向位移滑座，调整所述干涉仪精调机构使动态干涉仪出射光垂直入射至被测表面中心孔径，并且使动态干涉仪参考镜至被测件距离尽量短；所述动态干涉仪对被测件中心孔径进行校准测量，待结果符合稳定性要求之后进入下一步；

3）所述主控计算机发出指令，进入测量模式：所述主控计算机控制所述测量龙门架或者工作平台和横向位移滑座根据测量子孔径位置运动，每当运动至一个子孔径时，触发所述主控计算机上动态干涉仪测量软件采集该子孔径面形数据，记录完成后，所述动态干涉仪自动移至下一个子孔径，测量方案中每个子孔径都采集到数据后，反馈至所述主控计算机结束测量；

4）所述主控计算机发出指令，进入全局波面拟合评价模式：所述主控计算机根据选择的滤波方式对采集数据进行预处理，根据测量子孔径位置及面形数据拟合恢复出被测面中低频面形。

本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点：

本发明采用干涉测量全局拟合技术，拓展了测量范围；采用干涉仪精调机构，可以远程调整干涉仪位姿；采用动态干涉测量，降低了对测量环境的要求；采用全局波面拟合方法，降低了对测量***的几何精度要求，同时减少了采集子孔径数目，提高了检测效率。

附图说明

图1是本发明大口径光学元件表面面形检测装置示意图。

图2是本发明测量龙门架横梁示意图。

图3是本发明干涉仪精调机构示意图。

图4是本发明工作平台示意图。

图5是本发明大口径光学元件表面面形检测方法流程图。

图6是被测面子孔径分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1，一种大口径光学元件表面面形检测装置，包含数控机箱104、主控计算机105、测量龙门架106、动态干涉仪107、干涉仪精调机构108、工作平台102、气浮导轨103，动态干涉仪107安装在所述干涉仪精调机构108上，所述干涉仪精调机构108安装于所述测量龙门架106的横梁上，测量龙门架106置于气浮导轨103上，被测件101放置于所述的工作平台102上，所述测量龙门架106和所述干涉仪精调机构108通过电缆与所述数控机箱104连接，所述主控计算机105与所述数控机箱104通过信号线连接，所述主控计算机105与所述动态干涉仪107通过信号线连接。所述主控计算机105安装有测量主控软件、动态干涉仪测量软件及全局波面拟合评价软件。

本实施例中动态干涉仪选用ZYGO DynaFiz动态干涉仪，被测件采用300×500mm²的矩形光学平板。

如图2，所述测量龙门架106的横梁上安装横向位移滑座203，通过驱动电机201驱动精密滚珠丝杠202实现横向移动，驱动电机201通过电缆和数控机箱104连接。

如图3，所述的干涉仪精调机构108安装于横向位移滑座203上，所述的干涉仪精调机构108包括外框架301，安装底板309，安装面板310，Z向精密滚珠丝杠308，Z向驱动电机304，第一微调丝杠302及其驱动电机Ⅰ303、第二微调丝杠307及其驱动电机Ⅱ306，动态干涉仪305固定在安装面板310上，第一微调丝杠302和第二微调丝杠307成对角线固定于安装面板310和安装底板309之间，另两个角通过螺栓固定连接，安装底板309固定于Z向精密滚珠丝杠308上，Z向精密滚珠丝杠308安装于外框架301上，各驱动电机通过电缆和数控机箱104连接。

如图4，所述的工作平台102的台面403安装于闭式静压导轨402上，采用直线电机401驱动，直线电机401与数控机箱104通过电缆连接，台面403上标记有初始零位。

所述主控计算机105上安装的主控软件控制所述测量龙门架106和工作平台102Y向移动，控制横向位移滑座203X向移动，控制干涉仪精调机构108的Z向精密滚珠丝杠306、微调丝杠1 301和微调丝杠2 302运动；所述主控计算机105上安装的动态干涉仪测量软件可以配合动态干涉仪107进行数据采集；所述主控计算机105上安装的全局波面拟合评价软件可以将采集数据恢复出整体被测面形。

如图5，一种大口径光学元件中低频面形快速检测方法，采用上述测量装置，具体实施步骤为：

1）初始化参数设定：将被测件101放置于工作平台初始零位，在所述主控计算机105的测量主控软件中，输入被测件101尺寸，则软件给出非重叠的子孔径数目、位置等信息，如图6所示；选择测量过程中Y向移动测量龙门架106或者工作平台102；

2）所述主控计算机105发出指令，进入测量前校准模式：移动横向位移滑座203，调整所述干涉仪精调机构108使动态干涉仪107出射光垂直入射至被测表面中心孔径，并且使动态干涉仪107参考镜至被测件距离尽量短；所述动态干涉仪107对被测件101中心孔径进行校准测量，待结果符合稳定性要求之后进入下一步；

3）所述主控计算机105发出指令，进入测量模式：所述主控计算机105控制所述测量龙门架106或者工作平台102和横向位移滑座203根据测量路径运动，每当运动至一个子孔径时，触发所述主控计算机105上动态干涉仪测量软件采集该子孔径面形数据，记录完成后，所述动态干涉仪107自动移至下一个子孔径，测量方案中每个子孔径都采集到数据后，反馈至所述主控计算机105结束测量；

4）所述主控计算机105发出指令，进入全局波面拟合评价模式：所述主控计算机105根据选择的滤波方式对采集数据进行预处理，根据测量子孔径位置及面形数据拟合恢复出被测面中低频面形。 

Claims (5)

1.一种大口径光学元件中低频面形快速检测装置，包含数控机箱（104）、主控计算机（105）、测量龙门架（106）、动态干涉仪（107）、干涉仪精调机构（108）、工作平台（102）、气浮导轨（103），其特征在于：所述动态干涉仪（107）安装在所述干涉仪精调机构（108）上，所述干涉仪精调机构（108）安装于所述测量龙门架（106）的横梁上，测量龙门架（106）置于气浮导轨（103）上，被测件（101）放置于所述的工作平台（102）上，所述测量龙门架（106）和所述干涉仪精调机构（108）通过电缆与所述数控机箱（104）连接，所述主控计算机（105）与所述数控机箱（104）通过信号线连接，所述主控计算机（105）与所述动态干涉仪（107）通过信号线连接。

2.根据权利要求1所述的大口径光学元件中低频面形快速检测装置，其特征在于：所述测量龙门架（106）的横梁上安装横向位移滑座（203），通过驱动电机（201）驱动精密滚珠丝杠（202）实现横向移动，驱动电机（201）通过电缆和数控机箱（104）连接。

3.根据权利要求1所述的大口径光学元件中低频面形快速检测装置，其特征在于：所述的干涉仪精调机构（108）安装于横向位移滑座（203）上，所述的干涉仪精调机构（108）包括外框架（301），安装底板（309），安装面板（310），Z向精密滚珠丝杠（308），Z向驱动电机（304），第一微调丝杠（302）及其驱动电机Ⅰ（303）、第二微调丝杠（307）及其驱动电机Ⅱ（306），动态干涉仪（305）固定在安装面板（310）上，第一微调丝杠（302）和第二微调丝杠（307）成对角线固定于安装面板（310）和安装底板（309）之间，另两个角通过螺栓固定连接，安装底板（309）固定于Z向精密滚珠丝杠（308）上，Z向精密滚珠丝杠（308）安装于外框架（301）上，各驱动电机通过电缆和数控机箱（104）连接。

4.根据权利要求1所述的大口径光学元件中低频面形快速检测装置，其特征在于：所述的工作平台（102）的台面（403）安装于闭式静压导轨（402）上，采用直线电机（401）驱动，直线电机（401）与数控机箱（104）通过电缆连接，台面（403）上标记有初始零位。

5.一种大口径光学元件中低频面形快速检测方法，采用上述检测装置进行测量，其特征在于，具体实施步骤为：

1）初始化参数设定：将被测件（101）放置于工作平台（102）初始零位，在所述主控计算机（105）中输入被测件（101）尺寸，给出非重叠的子孔径数目、位置等信息；选择测量过程中Y向移动测量龙门架（106）或者工作平台（102）；

2）所述主控计算机（105）发出指令，进入测量前校准模式：移动横向位移滑座（203），调整所述干涉仪精调机构（108）使动态干涉仪（107）出射光垂直入射至被测表面中心孔径，并且使动态干涉仪（107）参考镜至被测件距离尽量短；所述动态干涉仪（107）对被测件（101）中心孔径进行校准测量，待结果符合稳定性要求之后进入下一步；

3）所述主控计算机（105）发出指令，进入测量模式：所述主控计算机（105）控制所述测量龙门架（106）或者工作平台（102）和横向位移滑座（203）根据测量子孔径位置运动，每当运动至一个子孔径时，触发所述主控计算机（105）上动态干涉仪测量软件采集该子孔径面形数据，记录完成后，所述动态干涉仪（107）自动移至下一个子孔径，测量方案中每个子孔径都采集到数据后，反馈至所述主控计算机（105）结束测量；

4）所述主控计算机（105）发出指令，进入全局波面拟合模式：所述主控计算机（105）根据选择的滤波方式对采集数据进行预处理，根据测量子孔径位置及面形数据拟合恢复出被测面中低频面形。