CN106441153A - 一种大口径非球面元件轮廓检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测试技术领域，涉及一种大口径非球面精密检测装置与方法，可用于精密光学***中大型非球面元件轮廓的高精度检测。本发明基于直线/回转基准技术等，采用回转—直线基准共基面的开放式轮廓仪结构，实现了基于精密气浮回转中心的大口径非球面元件轮廓的高精度检测。本发明采用回转—直线基准***共基面设计以及测量架的折转设计以及开放式的非龙门结构设计，减小了仪器阿贝误差，最大限度的发挥了精密直线气浮导轨的运动精度，利用与精密直线气浮导轨同步运动的传感测量***对被测非球面的一条母线轮廓参数直接进行测量；利用精密气浮回转技术，实现被测非球面多条母线轮廓的测量，通过拟合实现了大口径非球面轮廓的高精度快速检测。

Description

一种大口径非球面元件轮廓检测装置及方法

技术领域

本发明属于光学精密测试技术领域，涉及一种大口径精密非球面检测装置及方法，可用于精密光学***中大型高精度非球面元件面形轮廓的高精度检测。

技术背景

大型高精度非球面光学元件，在航天相机、天文望远镜等精密光学***中起着极其重要的作用。在非球面加工中，为了满足非球面的面形和粗糙度的设计要求，其一般采用加工-检测-再加工-再检测等制造工艺，在某种程度上，获得高精度非球面元件的关键在于能否提供可靠的、行之有效的检测技术来指导加工，尤其是在大口径光学非球面的铣磨和研抛阶段，非球面面形的高精度测量是决定面形收敛精度以及收敛速度的关键。目前，非球面的高精度检测已经成为高精度非球面光学元件制造中所面临的最大问题。

目前，常用的主要测量方法有接触式探针扫描法、光学探针扫描法和光学干涉法，其中接触式扫描测量法主要应用于大型球面非球面镜在研磨加工阶段时的检测，光学非接触式扫描法和光学干涉法由于其非接触测量的特点，应用于研磨后期及抛光阶段，特别适合于经最终成型处理后镜面的检测。

光学干涉法包括零位干涉法和非零干涉法，主要包括无像差点法、零补偿镜方法、计算全息法、剪切干涉法、子孔径拼接法等。零位干涉法是通过设计补偿器的结构与位置来完全补偿被测非球面理论形状的法线像差，实现面形误差的零位检测。该方法检测精度高、可靠性强，是目前非球面面形检测的参照基准。但是，零位检测法需要设计与被测非球面相匹配的辅助元件，不具有通用性，因而检测成本较高，测量周期较长，尤其对大口径凸非球面检测时成本更高。而且，该方法还存在***的装调精度要求较高、补偿镜的设计和装调以及高精度检测困难、计算全息板线纹频率过大引入中高频误差且难以制作等问题。

非零干涉法在检测非球面时不需要完全补偿被测面的全部法线像差，但检测***存在固有回程误差，干涉图样不直接反映被测面的面形误差信息。

探针扫描法通常是直接测试被测面形以获得各采样点的三维信息，再通过分析、拟合和重建实现非球面面形误差的测量，其原理简单直观，不需要辅助装置和元件，仪器标定后即可建立测量坐标系，还可以同时测得非球面顶点球的曲率半径。该方法适用于任意口径非球面元件的面形检测，其缺点是采用单点扫描、效率较低，由于探头所基于的测量原理，其响应速度有限，测量时间较长，环境条件的变化会引入测量误差，面形测量精度受限。

目前，现有的非球面轮廓测量仪的测量精度主要受制于主轴回转精度、直线导轨精度、基准间位置误差和传感技术等，没有充分利用到空间基准运动误差的可补偿性。

针对上述问题，本发明提出可自主分离和补偿基准运动误差的精密非球面轮廓扫描测量装置与方法，采用回转—直线基准共基面的开放式轮廓仪结构原理，实现大口径(直径Ф400mm以上)非球面轮廓的高精度快速测量。

发明内容

本发明的目的是为了提高大型精密非球面轮廓的检测精度和效率，提出了一种大口径非球面元件轮廓高精度检测装置与方法。

本发明基于我们发明的空间回转误差单转位分离技术、直线/回转基准技术以及基准间误差分离技术等，实现了基于精密气浮回转中心的大口径非球面元件轮廓的高精度检测。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的大口径非球面轮廓加工检测装置，采用回转—直线基准共基面的开放式轮廓仪结构，包括基座、精密直线气浮导轨、精密气浮回转工作台、导轨直线运动误差激光监测***、气浮工作台调整***、传感测量***和测量控制***。

其中，精密直线气浮导轨、精密气浮回转工作台、导轨直线运动误差激光监测***固定在基座上，精密气浮导轨直线运动位于精密气浮回转工作台一侧的下方；导轨直线运动误差激光监测***与精密直线气浮导轨平行放置，其直线运动误差探测模块与传感测量***固结在一起；传感测量***固定在和精密直线气浮导轨的轴套相连的横向测量臂上，并可随轴套沿精密直线气浮导轨的轴向方向作一维直线扫描运动，运动过程中传感测量***的轴向方向与精密直线气浮导轨的运动方向垂直。

本发明的大口径非球面轮廓高精度检测方法，包括利用精密气浮回转工作台调整的被测非球面的位姿，利用精密直线气浮导轨带动传感测量***沿被测非球面中心的母线方向进行扫描测量，同时利用导轨直线运动误差激光监测***分离、补偿精密直线气浮导轨的直线运动误差，实现纳米级的直线扫描运动，得到被测母线的轮廓；然后，计算机利用测量控制***控制精密气浮回转工作台转动不同的角度，通过传感测量***得到被测非球面的多条母线的轮廓值；最后，由多条母线轮廓拟合出被测非球面的整体面形轮廓，实现被测非球面轮廓的高精度检测。

本发明的大口径非球面轮廓高精度检测方法，实现被测非球面轮廓的高精度测试的特征包括以下步骤：

步骤一：驱动精密气浮回转工作台进行回转运动，利用传感测量***对精密气浮回转工作台的工作表面轮廓进行测量，得到精密气浮回转工作台的位姿参数，依据该位姿参数驱动气浮工作台调整***使精密气浮回转工作台的工作台面无倾斜；

步骤二：将被测非球面置于精密气浮回转工作台上，计算机通过测量控制***驱动精密气浮回转工作台进行回转运动，由固定在和精密直线气浮导轨的轴套相连的垂直测量臂上的径向传感***对被测非球面的径向轮廓进行检测，依据测量结果调整被测非球面位置使其与精密气浮回转工作台同轴放置；

步骤三：精密直线气浮导轨沿被测非球面的母线方向作一维扫描运动，同时带动传感测量***沿被测非球面母线方向进行一维轮廓扫描测量，测得被测非球面在此母线方向上的轮廓信息；精密直线气浮导轨在一维直线扫描运动过程中，其直线运动误差由导轨直线运动误差激光监测***监测、补偿；

步骤四：计算机依据规划的扫描路径控制精密气浮回转工作台旋转一个角度，重复步骤三，再次测量得到被测非球面一条母线的轮廓信息；

步骤五：重复测量步骤三和步骤四，直至完成被测非球面的整体轮廓扫描，由多条母线轮廓拟合出被测非球面的整体面形轮廓，实现被测非球面的高精度轮廓测量。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1)回转—直线基准***共基面设计以及测量架的折转设计，最大限度地减小了仪器阿贝误差，使测量导轨的运动精度得以最大程度地发挥；

2)开放式的非龙门结构设计，便于大口径非球面元件加工口径的扩展、检测***的融合以及工件的搬运与装调，大型元件口径大小主要由基准导轨的运动范围确定；

3)直线气浮导轨***运动误差激光检测***的采用便于米级大口径非球面元件的加工和检测。

本发明特点：

1.采用开放式非龙门结构设计，将***中的直线运动导轨直接放在工作台上，传感器与导轨相连，使得***运动幅最短、测量过程中变形小，可提高大口径非球面元件的检测精度；

2.采用高精度气浮直线技术，消除了因废气的排放所产生的气体扰动对测量环境的影响，可显著提高测量***的测量精度；

3.采用高精度气浮回转技术，提高了回转***的回转精度，可显著提高测量***的测量精度；

4.采用基于空气静压轴承技术的偏心调整工作台，实现***的高精度调倾、调心，可显著提高测量***的测量精度；

5.采用高精度激光直线基准技术，保证了***直线运动精度，可提高***测量精度。

附图说明

图1为本发明大口径非球面元件轮廓检测装置及其方法示意图；

图2为本发明大口径非球面元件轮廓检测方法基于顺序扫描原理的扫描路径示意图；

图3a)为本发明大口径非球面元件轮廓检测装置实施示意图；

图3b)为本发明大口径非球面元件轮廓检测装置的计算机控制连接示意图；

其中：1-基座、2-精密直线气浮导轨、3-精密气浮回转工作台、4-导轨直线运动误差激光监测***、5-传感测量***、6-直线运动误差探测模块、7-测量控制***、8-轴套、9-横向测量臂、10-非球面镜、11-气浮工作台调整***、12-计算机、13-垂直测量臂、14-径向传感***，15-母线方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是：采用回转—直线基准***共基面设计以及测量架的折转设计以及开放式的非龙门结构设计，减小仪器阿贝误差，最大限度的发挥了精密直线气浮导轨的运动精度，利用与精密直线气浮导轨同步运动的传感测量***对被测非球面的一条母线轮廓参数直接进行测量；利用精密气浮回转技术，实现被测非球面多条母线轮廓的测量，利用拟合得到整个非球面面形的轮廓参数，实现了大口径非球面轮廓的高精度快速检测。

实施例1

如图1和图2所示，大口径非球面元件轮廓加工检测方法，检测步骤如下：

被测非球面10放置在精密气浮回转工作台3上，传感测量***5固定在和精密直线气浮导轨2的轴套8相连的横向测量臂9上，并可随轴套8作一维直线扫描运动，测量过程中要保证传感测量***5与精密直线气浮导轨2的运动方向垂直，传感测量***5沿着被测非球面10母线方向15进行一维扫描直线运动，同时利用导轨直线运动误差激光监测***4对精密直线气浮导轨2的直线运动误差进行监测、分离、补偿，实现纳米级的直线扫描运动，实现沿一条母线方向上的轮廓测量。

如图2所示，沿母线方向15，利用传感测量***5对被测非球面10进行扫描测量，可测得一条母线上的N个轮廓测量数据。

计算机12通过控制***7控制精密气浮回转工作台3旋转一个角度，重复上述扫描测量过程，即可测量得到多条母线的轮廓数据。

依据轮廓测量数据进行拟合处理，可得到被测非球面10的整体面形轮廓，实现被测非球面10的高精度轮廓测量。

实施例2

结合图1和图3所示，大口径非球面加工检测装置主要由基座1、精密直线气浮导轨2、精密气浮回转工作台3、导轨直线运动误差激光监测***4、气浮工作台调整***11、测量传感***5、控制***7、计算机12等构成，精密直线气浮导轨2、导轨直线运动误差激光监测***4均固定在基座1上，且分布在精密气浮回转工作台3周围。其中，传感测量***5固定在和精密直线气浮导轨2的轴套8相连的横向测量臂9上，并可随轴套8沿精密直线气浮导轨2轴向方向作一维直线扫描运动；径向传感***14固定在和精密直线气浮导轨2的轴套8相连的垂直测量臂13上，且其测量方向与被测非球面10径向方向一致；精密直线气浮导轨2位于精密气浮回转工作台3一侧的下方；导轨直线运动误差激光监测***4放置在精密气浮回转工作台3的轴线方向，且与精密直线气浮导轨2平行放置，导轨直线运动误差激光监测***4的直线运动误差探测模块6与传感测量***5一起固结在横向测量臂9上；计算机12通过控制***实现大口径非球面检测装置中的测量、调整、扫描功能。

被测非球面10的检测过程如下：

1)计算机12通过测量控制***7驱动精密气浮回转工作台3进行回转运动，利用传感测量***5测得精密气浮回转工作台3的表面轮廓参数，计算机12对其进行分析，得到精密气浮回转工作台3的位姿参数，由气浮工作台调整***11依据该位姿参数进行调整，消除精密气浮回转工作台3的倾斜；

2)将被测非球面10置于精密气浮回转工作台3上，测量控制***7控制精密气浮回转工作台3进行匀速旋转，由径向传感***14对被测非球面10的径向轮廓进行监测，计算机12依据径向传感***14的测量结果对被测非球面10放置偏心进行调整，使被测非球面10与精密气浮回转工作台3同轴；

3)驱动精密直线气浮导轨2作一维扫描运动，传感测量***5随其同步运动，对被测非球面10沿母线方向15进行一维扫描，测得被测非球面10沿母线方向15上的面形轮廓；精密直线气浮导轨2在一维扫描运动过程中，其直线度由导轨直线运动误差激光监测***4监测，通过直线运动误差分离、补偿，实现纳米级的直线扫描运动；

4)计算机12控制精密气浮回转工作台3旋转一个设定角度，重复步骤3，得到被测非球面10母线方向上的轮廓数据；

5)重复步骤4，可获得被测非球面10沿多条母线方向上的轮廓测量数据；

6)计算机12依据测得的多条母线方向上的轮廓数据进行拟合，得到被测非球面10的完整面形轮廓，实现了大口径被测非球面面形轮廓的高精度测量。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.大口径非球面轮廓高精度检测装置，其特征在于：采用回转—直线基准共基面的开放式轮廓仪结构，包括基座(1)、精密直线气浮导轨(2)、精密气浮回转工作台(3)、导轨直线运动误差激光监测***(4)、气浮工作台调整***(11)、传感测量***(5)和测量控制***(7)；

其中，精密直线气浮导轨(2)、精密气浮回转工作台(3)、导轨直线运动误差激光监测***(4)固定在基座(1)上，精密气浮导轨直线运动(2)位于精密气浮回转工作台(3)一侧的下方；导轨直线运动误差激光监测***(4)与精密直线气浮导轨(2)平行放置，其直线运动误差探测模块(6)与传感测量***(5)固结在一起；传感测量***(5)固定在和精密直线气浮导轨(2)的轴套(8)相连的横向测量臂(9)上，并可随轴套(8)沿精密直线气浮导轨(2)的轴向方向作一维直线扫描运动，运动过程中传感测量***(5)的轴向方向与精密直线气浮导轨(2)的运动方向垂直。

2.大口径非球面轮廓高精度检测方法，其特征在于：利用精密气浮回转工作台(3)调整的被测非球面(10)的位姿，利用精密直线气浮导轨(2)带动传感测量***(5)沿被测非球面(10)中心的母线方向(15)进行扫描测量，同时利用导轨直线运动误差激光监测***(4)分离、补偿精密直线气浮导轨(2)的直线运动误差，实现纳米级的直线扫描运动，得到被测母线的轮廓；然后，计算机(12)利用测量控制***(7)控制精密气浮回转工作台(3)转动不同的角度，通过传感测量***(5)得到被测非球面(10)的多条母线的轮廓值；最后，由多条母线轮廓拟合出被测非球面(10)的整体面形轮廓，实现被测非球面(10)轮廓的高精度检测。

3.根据权利要求2所述的大口径非球面轮廓高精度检测方法，其特征在于：实现被测非球面(10)轮廓的高精度测试的特征包括以下步骤：

步骤一：驱动精密气浮回转工作台(3)进行回转运动，利用传感测量***(5)对精密气浮回转工作台(3)的工作表面轮廓进行测量，得到精密气浮回转工作台(3)的位姿参数，依据该位姿参数驱动气浮工作台调整***(11)使精密气浮回转工作台(3)的工作台面无倾斜；

步骤二：将被测非球面(10)置于精密气浮回转工作台(3)上，计算机(12)通过测量控制***(7)驱动精密气浮回转工作台(3)进行回转运动，由固定在和精密直线气浮导轨(2)的轴套(8)相连的垂直测量臂(13)上的径向传感***(14)对被测非球面(10)的径向轮廓进行检测，依据测量结果调整被测非球面(10)位置使其与精密气浮回转工作台(3)同轴放置；

步骤三：精密直线气浮导轨(2)沿被测非球面(10)的母线方向(15)作一维扫描运动，同时带动传感测量***(5)沿被测非球面(10)母线方向(15)进行一维轮廓扫描测量，测得被测非球面(10)在此母线方向(15)上的轮廓信息；精密直线气浮导轨(2)在一维直线扫描运动过程中，其直线运动误差由导轨直线运动误差激光监测***(4)监测、补偿；

步骤四：计算机(12)依据规划的扫描路径控制精密气浮回转工作台(3)旋转一个角度，重复步骤三，再次测量得到被测非球面(10)一条母线的轮廓信息；

步骤五：重复测量步骤三和步骤四，直至完成被测非球面(10)的整体轮廓扫描，由多条母线轮廓拟合出被测非球面(10)的整体面形轮廓，实现被测非球面(10)的高精度轮廓测量。

4.根据权利要求1所述的大口径非球面轮廓检测装置，其特征还在于：传感测量***(5)包括非接触式传感测量***或者接触式传感测量***。