CN104374334B - 自由曲面形貌三维测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于自由曲面形貌测量技术,具体涉及一种自由曲面形貌测量方法及装置。本发明自由曲面形貌三维测量装置包括:激光器、光束整形***、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、波片及频谱选择器、单色变倍率镜头、两个全反射镜、待测自由曲面、高速高清摄像机、两组精密丝杠和精密导轨组、机床平台主轴、龙门悬臂梁。本发明利用空间光学傅里叶分析方法,产生正弦光强靶标输出,投影至待测自由曲面表面,进行三维形貌测量的方法和装置;便利于包括球面、椭球面、双曲面、抛物面在内的各种自由曲面的三维表面的动态在线测量;便利于光学表面的铣磨、细磨、粗抛和精抛阶段,所有工艺过程的动态在线检测,不需要二次装夹。
Description
技术领域
本发明属于自由曲面形貌测量技术,具体涉及一种自由曲面形貌测量方法及装置。
背景技术
包括球面、椭球面、双曲面、抛物面在内的各种自由曲面的测量方法,一般是用三维轮廓仪测量;光学表面在铣磨、细磨和粗抛阶段的检测,是影响非球面面形收敛精度与速度的关键阶段。此时面形误差尚未达到光波长量级,且表面粗糙度不佳,通常的干涉检测方法存在一定的困难,因此,也采用接触式三维轮廓仪。但是,在精抛阶段,一般用干涉仪。某些情况,尚需依赖专用设备加工包括CGH补偿板、Offner补偿镜、Dall补偿镜等特殊的辅助检测元件,成本高、周期长。特别是检测过程,需要二次装夹,容易产生定位误差、工艺复杂,不适合在线检测。
现有技术进行自由曲面测量时,也利用信息光学的傅立叶变换进行测试,但是还存在以下四个缺陷:第一,对关键核心部件矩形光栅的选择没有针对性,单纯利用矩形光栅的制作误差,实现的二级光谱输出,不具有可控性;第二,占有输入能量70%以上的零级频谱不能有效利用,且只能降低输出正弦靶标图像的对比度;第三,傅立叶变换透镜及变倍率镜头为通用设计,没有针对单一波长光的针对性设计,输出的正弦靶标图像像场像差较大,是测量精度提高的一大障碍;第四,平行光输出,限制了测量的视场范围,不利于大面积测量。
发明内容
本发明的目的是:针对现有技术中控制矩形光栅的制作问题,频率填充,零级频谱能量利用率低,通用镜头选择,以及测量视场受限的问题,提供一种在线式非接触的自由曲面形貌测量装置。
另外,本发明还提供一种自由曲面形貌测量方法。
本发明的技术方案是:一种自由曲面形貌三维测量装置,其包括信号发生器14、待测自由曲面10、转轴13、信号接收器11以及计算机12,其中,信号发生器输出对准待测自由曲面,而待测自由曲面设置在转轴上,同时其反射输出对准信号接收器,计算机连接信号接收器用于计算处理,其中,所述信号发生器14由发生***和扫描***组成,所述发生***包括精密丝杠一81和精密导轨一82以及设置在精密导轨上且沿光的传播方向依次设置的激光器1、光束整形***2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7,所述扫描***输入与发生***的单色变倍率镜头7输出对应,所述矩形光栅3位于光束整形***2的后面,并使矩形光栅3定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上;波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上,并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上。
所述扫描***包括精密丝杠、精密导轨以及设置在精密导轨内部的全反射镜一91和全反射镜二92,其中,所述全反射镜一91和全反射镜二92通过精密丝杠的调节实现在精密导轨上的移动。
所述信号发生器14和信号接收器11设置在不同龙门悬臂梁上的万向支架上,且二者之间相对倾斜。
当信号发生器14单色变倍率镜头7出射的光为非平行光时,则在计算处理时,需对该出射的非平性光进行标定处理。
所述激光器1选择圆光斑输出的单模激光器,且与单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7进行单色匹配。
所述光束整形***2采用激光扩束器设计方式,且激光束腰位置的小孔,要求优于微米级的圆度。
所述矩形光栅3占空比不等于1:1,且矩形光栅为正弦光栅时,舍去频谱选择器5。
所述波片6配合激光器1的波长选择波长,放置在零级频谱位置,配合选择1级、2级及3级频谱,对应选择1/4波片或1/2波片。
一种自由曲面形貌三维测量方法,若采用平行光输出,则后续光路设置两块全反射镜,全反射镜一91位于单色变倍率镜头7后面,改变光束以垂直方向输出;全反射镜二92位于全反射镜一91后面;全反射镜一91和全反射镜二92,均位于精密丝杠二83和精密导轨二84上;小视场直接测量,由全反射镜二92直接输出正弦光强靶标图像即可;大视场测量,需要利用全反射镜二92在精密丝杠二83和精密导轨二84上进行视场扫描,并对输出的变形条纹进行视场拼接,扫描结果综合整体分析。
一种自由曲面形貌三维测量方法,若采用非平行光输出,则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面,根据视场的范围,确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置,输入***测量,并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置,对输出数据进行修正。
本发明的技术效果是:本发明针对背景技术中矩形光栅的精确制作问题,频率填充,零级频谱能量利用率低,通用镜头选择,以及测量视场受限等问题。本发明使用占空比精确制造的矩形光栅空间分频,同级次频谱合成,利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱,提高高空间频率正弦图像靶标的对比度,结合针对单一波长设计的单色专用镜头,有效降低波像差,通过对输出波面的标定,实现从低频到高频,高对比度,像场修正便捷,适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出;矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅,以及其他透明的图像靶标,此时,去掉频谱选择器即可。便利于包括球面、椭球面、双曲面、抛物面在内的各种自由曲面的三维表面的动态在线测量;便利于光学表面的铣磨、细磨、粗抛和精抛阶段,所有工艺过程的动态在线检测,不需要补偿板,不需要干涉仪,不需要二次装夹。本发明主要应用于航天、航空、军事、生物医学及民用等领域的各种自由曲面的三维表面的动态在线测量。
附图说明:
图1是本发明正弦光强靶标输出装置示意图;
图2是本发明测量过程结构装置示意图,
其中,激光器1、光束整形***2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠一81、精密导轨一82、全反射镜一91、全反射镜二92、精密丝杠二83、精密导轨二84、待测自由曲面10、高速高清摄像机11、计算机及软件处理***12、机床平台主轴13、龙门悬臂梁14。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明:
请同时参阅图1和图2,本发明自由曲面形貌三维测量装置包括激光器1、光束整形***2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠一81、精密导轨一82、全反射镜一91、全反射镜二92、精密丝杠二83、精密导轨二84、待测自由曲面10、高速高清摄像机11、计算机及软件处理***12、机床平台主轴13、龙门悬臂梁14。
其中,光束整形***位于激光器的后面,对激光束扩束、准直、整形;矩形光栅位于光束整形***的后面,并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上;波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上,并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上。上述元器件全部位于第一组精密丝杠和精密导轨上。
若采用平行光输出,则后续光路设置2块全反射镜,全反射镜一91位于单色变倍率镜头后面,改变光束以垂直方向输出;全反射镜二92位于全反射镜一91后面。全反射镜一91和全反射镜二92,均位于第二组精密丝杠和精密导轨上。小视场直接测量,由全反射镜二92直接输出正弦光强靶标图像即可;大视场测量,需要利用全反射镜二92在第二组精密丝杠和精密导轨上进行视场扫描,并对输出的变形条纹进行视场拼接,扫描结果综合整体分析。
若采用非平行光输出,则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面,根据视场的范围,确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置,输入***测量,并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置,对输出数据进行修正。
正弦光强靶标图像经由全反射镜二92进入待测自由曲面反射后,进入高速高清摄像机;待测自由曲面置于机床平台主轴上;高速高清摄像机置于龙门悬臂梁上,根据反射光束出射方向,调整并设置高速高清摄像机方向。
当采用本发明对自由曲面进行三维形貌测量时:
a.首先调整激光器1、光束整形***2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7等器件置于精密丝杠一81和精密导轨一82上;全反射镜一91、全反射镜二92置于精密丝杠二83和精密导轨二84上,前述设备和高速高清摄像机11均置于龙门悬臂梁14上;待测自由曲面10置于机床平台主轴13上;整个光路***均按照同轴等高原则,如图1、图2位置配置,安装调试计算机及软件处理***12;
b.激光器1选择圆光斑输出的单模激光器,便于波面测量,及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计。当选择不同波长的激光器时,需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7;
c.光束整形***2,采用激光扩束器设计方式,降低入射到矩形光栅3的功率密度,降低光栅损伤,便于提高激光器1的功率;激光束腰位置的小孔,要求优于微米级的圆度,且无毛刺;
d.矩形光栅3,要求占空比不等于1:1,便利使用1级、2级及3级频谱,充分利用其倍频关系,快速提高空间频率;为方便测试,矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅。此时,去掉频谱选择器5即可;
e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7,均需配合激光器1的波长设计,实现空间光学傅里叶变换,同时兼顾孔径和视场要求;
f.频谱选择器5,包括电、磁或光寻址空间光调制器(SLM)、数字式微反射镜器件(DMD)、机械式小孔均可,以方便选择1级、2级及3级频谱,并对零级频谱略有衰减即可;在不使用矩形光栅3,以及不需要频谱选择的条件下,可去掉;
g.波片6,配合激光器1的波长选择波长,放置在零级频谱位置,配合选择1级、2级及3级频谱,对应选择1/4波片或1/2波片,将零级频谱耦合进1级、2级或3级频谱,提高输出正弦光强靶标的对比度,有效利用零级频谱能量;
h.精密丝杠一81、精密导轨一82,调整及固定激光器1、光束整形***2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7等器件;
i.全反射镜一91、全反射镜二92,折转光路,通过移动全反射镜二92,实现大视场扫描;
j.精密丝杠二83、精密导轨二84,调整及固定全反射镜一91、全反射镜二92,便于实现稳定的大视场扫描;
k.调整及固定待测自由曲面10于机床平台主轴13上,调整及固定高速高清摄像机11于龙门悬臂梁14上;
l.高速高清摄像机11采集经定待测自由曲面10输出的图形靶标,并传输至计算机及软件处理***12;
m.计算机及软件处理***12,接收高速高清摄像机11采集输出的图形靶标,并进行相应的图像计算处理,输出计算结果,完成自由曲面形貌测量。
另外,本发明使用占空比精确控制制造的矩形光栅,进行空间分频,结合频谱选择器,同级次频谱合成,利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱,提高空间频率正弦图像靶标的对比度,结合针对单一波长设计的单色专用镜头,有效降低波像差;通过对输出波面的标定,实现从低频到高频,高对比度,像场修正便捷,适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出;矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅,以及其他透明的图像靶标,此时,去掉频谱选择器即可。
综上所述本发明利用空间光学傅里叶分析方法,产生正弦光强靶标输出,投影至待测自由曲面表面,进行三维形貌测量的方法和装置;便利于包括球面、椭球面、双曲面、抛物面在内的各种自由曲面的三维表面的动态在线测量;便利于光学表面的铣磨、细磨、粗抛和精抛阶段,所有工艺过程的动态在线检测,不需要补偿板,不需要干涉仪,不需要二次装夹,具有较大实际应用价值。
Claims (9)
1.一种自由曲面形貌三维测量装置,其特征在于,包括信号发生器(14)、待测自由曲面(10)、转轴(13)、信号接收器(11)以及计算机(12),其中,信号发生器输出对准待测自由曲面,而待测自由曲面设置在转轴上,同时其反射输出对准信号接收器,计算机连接信号接收器用于计算处理,其中,所述信号发生器(14)由发生***和扫描***组成,所述发生***包括精密丝杠一(81)和精密导轨一(82)以及设置在精密导轨上且沿光的传播方向依次设置的激光器(1)、光束整形***(2)、矩形光栅(3)、单色傅立叶变换透镜(4)、频谱选择器(5)、波片(6)、单色变倍率镜头(7),所述扫描***输入与发生***的单色变倍率镜头(7)输出对应,所述矩形光栅(3)位于光束整形***(2)的后面,并使矩形光栅(3)定位在单色傅立叶变换透镜(4)的前焦平面上;波片(6)及频谱选择器(5)位于单色傅立叶变换透镜(4)的后焦平面上,并定位于单色变倍率镜头(7)的前焦平面上,所述扫描***包括精密丝杠二(83)和精密导轨二(84)以及设置在精密导轨二(84)内部的全反射镜一(91)和全反射镜二(92),其中,所述全反射镜一(91)和全反射镜二(92)通过精密丝杠二(83)的调节实现在精密导轨二(84)上的移动。
2.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置,其特征在于,所述信号发生器(14)和信号接收器(11)设置在不同龙门悬臂梁上的万向支架上,且二者之间相对倾斜。
3.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置,其特征在于,当信号发生器(14)单色变倍率镜头(7)出射的光为非平行光时,则在计算处理时,需对该出射的非平性光进行标定处理。
4.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置,其特征在于,所述激光器(1)选择圆光斑输出的单模激光器,且与单色傅立叶变换透镜(4)、波片(6)、单色变倍率镜头(7)进行单色匹配。
5.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置,其特征在于,所述光束整形***(2)采用激光扩束器设计方式,且激光束腰位置的小孔,要求优于微米级的圆度。
6.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置,其特征在于,所述矩形光栅(3)占空比不等于1:1,且矩形光栅为正弦光栅时,舍去频谱选择器(5)。
7.根据权利要求1所述的自由曲面形貌三维测量装置,其特征在于,所述波片(6)配合激光器(1)的波长选择波长,放置在零级频谱位置,配合选择1级、2级及3级频谱,对应选择1/4波片或1/2波片。
8.一种基于权利要求1所述自由曲面形貌三维测量装置的自由曲面形貌三维测量方法,其特征在于,若采用平行光输出,则后续光路设置两块全反射镜,全反射镜一(91)位于单色变倍率镜头(7)后面,改变光束以垂直方向输出;全反射镜二(92)位于全反射镜一(91)后面;全反射镜一(91)和全反射镜二(92),均位于精密丝杠二(83)和精密导轨二(84)上;小视场直接测量,由全反射镜二(92)直接输出正弦光强靶标图像即可;大视场测量,需要利用全反射镜二(92)在精密丝杠二(83)和精密导轨二(84)上进行视场扫描,并对输出的变形条纹进行视场拼接,扫描结果综合整体分析。
9.一种基于权利要求1所述自由曲面形貌三维测量装置的自由曲面形貌三维测量方法,其特征在于,若采用非平行光输出,则需要标定输出的正弦光强靶标图像波面,根据视场的范围,确定正弦光强靶标图像波面的面型及位置,输入***测量,并利用确定的正弦光强靶标图像波面面型和位置,对输出数据进行修正。
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