CN108362221A - 一种自由曲面形貌纳米精度检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密检测技术领域，涉及一种自由曲面零件的纳米精度轮廓测量装置与方法，可用于自由曲面零件的纳米精度检测。该装置包括：主动气浮隔震弹簧、气浮隔振基座、X向气浮导轨、龙门架、激光差动共焦定焦触发测量***、激光干涉位移测量镜组、Y向气浮导轨、Z向气浮导轨、自由曲面样品姿态调整装置、参考平晶姿态调整装置、激光干涉仪；采用龙门结构三坐标测量机的轮廓测量方式，结合高精度平面平晶作为基准反射镜，减少X向和Y向气浮导轨直线度对自由曲面表面轮廓高精度检测的影响，从而降低三坐标测量机的21项误差。采用具有三点支撑结构的球面气浮工作台调整被测自由曲面零件的姿态，实现自由曲面零件轮廓的高精度检测。

Description

一种自由曲面形貌纳米精度检测方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密检测技术领域，涉及一种自由曲面形貌高精度检测方法与装置，可用于精密光学***中自由曲面形貌的纳米精度检测。

技术背景

自由曲面元件具有最大的表面形貌自由度，在成像***中易消除像差，具有改善光学***成像质量、提高分辨能力、增大作用距离、简化仪器结构、减小仪器体积及重量和提高可靠性等优点，可极大地改善测量光学***的成像质量、分辨力，提高武器装备性能；用自由曲面光学***来代替过去的由平面、球面镜、共轴二次曲面镜等构成的光学***来提高成像质量，减小***体积和重量，进而解决成像精度、便携性和可靠性等问题已经成为光学***发展的重要趋势。

但是自由曲面在增加了设计自由度的同时，给设计、加工和检测提出了更高的要求，随着光学CAD与数控金刚石点加工技术在光学设计与制造中得到成功应用，自由曲面的设计与加工已不再是主要技术障碍，但测量问题却日益成为亟待研究解决的难题。光金刚石点加工技术对自由曲面面形的加工精度主要取决于对面形上各点空间坐标的测量准确度，因此元件面形是否能满足设计要求必须经过高精度的检测技术来保证。

目前国际上自由曲面的表面轮廓测量方法中主要可以分为光场图像测量法、层析扫描探测法和探针三维扫描探测法三大类。图像探测法测量过程无需对样品进行扫描，测量速度快，但其无法适应任意倾角变化的自由曲面高精度测量，同时易受到样品表面反射率、粗糙度等特性差异影响。层析扫描法原理简单，但对被测零件的尺寸和材料都有一定限制对运行环境要求较高，现有仪器测量精度为1～10mm，测量精度较低。探针三维扫描测量法采用探针对被测自由曲面样品表面进行逐点定位，通过测量各个位置点的坐标重构得到样品表面形貌，通常由坐标测量机驱动探针或者样品进行探测，目前该方法由于具有测量精度高，适用范围广等优势逐渐成为自由曲面测量的主流技术。

传统的探针三维扫描测量方法包括：接触探针法、清晰度法、飞行时间法和共焦定位法。接触探针法具有很高的测量精度、良好的可靠性与稳定性，但获得的测量数据需根据探针测头形状进行补偿，并且由于测量存在接触力，但不能对软质、易碎等样品进行测量，并且可能会划伤抛光后样品表面。清晰度法利用数字图像处理技术对光学***的成像质量进行判定，寻找成像最为清晰的点作为定焦位置，但受衍射的限制十分明显，瞄准定位敏度较低，精度浮动在1％～2％之间，定位精度仅为微米量级。飞行时间法测量原理简单,不需要图像处理，但分辨率较低，测量精度约为20～50mm，不适用于精密测量环境中。干涉方法的灵敏度很高，其轴向定位的理论极限可达到1nm，但是对测量环境要求苛刻，并且容易受到样品表面的倾角、粗糙度等特性差异影响，实际工程应用受到较大限制。共焦法定焦精度较高，抗环境干扰能力强，并且对样品表面属性差异影响具有一定的抑制能力，轴向定位分辨力可达到200nm。

综上所述，现有测量方法中主要存在测量精度不足，不能克服样品表面粗糙度、起伏、倾角等特性差异的影响，是目前限制自由曲面轮廓测量精度的主要瓶颈。基于上述情况，本发明提出抗表面倾角变化和抗散射变化的归一化激光差动共焦高精度定焦触发测量新方法，对自由曲面形貌进行高精度定焦触发测量，并利用高精度平面平晶作为X-Y面的参考基准面，通过激光干涉仪监测和补偿X向和Y向气浮导轨的直线度误差，实现自由曲面形貌的降维误差分离，从而实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

本发明专利的核心思想是利用高精度平面平晶作为X-Y面的参考基准面，通过激光干涉仪监测和补偿X向和Y向气浮导轨的直线度误差，实现自由曲面形貌的降维误差分离，并通过抗表面倾角变化和抗散射变化的归一化激光差动共焦高精度定焦触发测量新方法对自由曲面形貌进行纳米精度定焦触发测量，结合余气回收式气浮导轨的宏-微跨尺度纳米精度无扰驱动与定位方法，为自由曲面形貌检测提供高精度的三维直线定位与扫描测量手段，利用差动共焦曲线线性段对样品直接测量，降低焦点跟踪要求，可对具有微细结构的自由曲面形貌进行快速的纳米精度测量。

发明内容

本发明的目的是为了提高自由曲面形貌的检测精度和效率，克服现有技术的不足，提出一种自由曲面形貌纳米精度检测方法及其装置。

本发明基于我们发明的余气回收式气浮导轨、宏-微跨尺度纳米精度运动误差解耦无扰驱动与定位方法实现纳米精度三维扫描与定位；基于空气静压轴承技术的大范围调倾调心技术，实现自由曲面样品姿态调整，确保任意一点的倾角在***可测范围内；在Z向使用高精度平面平晶进行纳米精度激光干涉位移测量，减少X向和Y向气浮导轨直线度对自由曲面轮廓测量的影响，提高Z向激光差动共焦定焦触发探测的精度，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的自由曲面形貌纳米精度检测方法，包括以下步骤：

步骤一：将高精度平面平晶分别置于自由曲面样品姿态调整装置和参考平晶姿态调整装置上，通过激光干涉仪测量激光干涉测量镜组与高精度平面平晶间的距离，调整自由曲面样品姿态调整装置和参考平晶姿态调整装置的姿态，保证与Z向气浮导轨垂直；

步骤二：将被测自由曲面样品和高精度平面平晶分别放置在自由曲面样品姿态调整装置上和参考平晶姿态调整装置上，利用Z向气浮导轨带动激光差动共焦定焦触发测量***和激光干涉位移测量镜组沿Z向移动，根据得到的激光差动共焦响应曲线获得被测自由曲面形貌的Z向表面高度和倾角信息；

步骤三：利用X向气浮导轨，使气浮导套沿X方向等间距移动，对每个测量点重复步骤二，当被测自由曲面样品表面倾角较大，导致激光差动共焦定焦触发测量***的激光差动共焦响应光强较弱时，通过调整自由曲面样品姿态调整装置，保证自由曲面样品上任意一点的倾角在可测范围内，实现自由曲面形貌的X向扫描检测；

步骤四：每完成一次自由曲面形貌X向扫描检测，利用Y向气浮导轨，沿Y向等间距移动一步，重复步骤三，实现自由曲面形貌的Y向扫描检测；

步骤五：被测自由曲面样品进行X向和Y向扫描检测时的直线运动误差由激光干涉仪测量得到的位移数据进行补偿，将自由曲面样品三维形貌数据{D₁₁(x,y,z),D₁₂(x,y,z),…,D₁₂(x,y,z),D_ij(x,y,z),…,D_MN(x,y,z)}拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

本发明的自由曲面形貌纳米精度检测装置，包括：主动气浮隔震弹簧、气浮隔振基座、X向气浮导轨、龙门架、激光差动共焦定焦触发测量***、激光干涉位移测量镜组、Y向气浮导轨、Z向气浮导轨、自由曲面样品姿态调整装置、参考平晶姿态调整装置、激光干涉仪.

本发明采用龙门结构三坐标测量机的轮廓测量方式，其中，气浮隔振基座安装在主动气浮隔震弹簧上，通过主动气浮隔振弹簧起到隔振的作用；将X向气浮导轨固定安装在气浮隔振基座上，X向气浮导轨上安装有气浮导套，并将基于三点支撑结构设计自由曲面样品姿态调整装置和参考平晶姿态调整装置平行安装在气浮导套上；激光差动共焦定焦触发测量***和激光干涉位移测量镜组平行安装在Z向气浮导轨上，Z向气浮导轨安装在Y向气浮导轨，Y向气浮导轨和激光干涉仪分别安装在龙门架上，龙门架固定安装在气浮隔震基座上。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1)使用高精度平面平晶作为X-Y参考基准平面的自由曲面三维测量方法，大幅减小了X、Y向导轨直线度误差对自由曲面Z向测量敏感方向的影响，理论上可将自由曲面形貌的扫描检测精度提高到50nm以内；

2)抗表面倾角变化和抗散射变化的归一化激光差动共焦高精度定焦触发测量新方法，可实现表面倾角变化达25°的自由曲面表面高精度轴向定焦触发检测，并且可以提高自由曲面形貌的检测精度和速度；

3)基于三点支撑结构设计的球面气浮自由曲面样品姿态调整装置，通过压电陶瓷可以调节被测自由曲面样品的姿态，根据选用的压电陶瓷的量程，可将被测自由曲面形貌的测量范围最大提高至45°；

4)基于运动误差解耦无扰驱动技术方案的纳米精度的三维扫描驱动定位方法可在大于100mm的移动范围上实现纳米级进给分辨率和定位，可将自由曲面样品在进行X向和Y向扫描检测时的精度从2μm提高至0.6μm。

附图说明

图1为本发明自由曲面形貌纳米精度检测装置及方法示意图；

图2为本发明激光差动共焦定焦触发测量原理示意图；

图3为本发明自由曲面形貌纳米精度检测装置及方法的X-Y平面内扫面检测路径示意图；

图4为本发明自由曲面形貌纳米精度检测装置及方法中自由曲面样品姿态调整装置示意图；

图中标号，1-主动气浮隔振弹簧、2-气浮导轨、3-蛇形驱动X向气浮导轨、4-龙门架、5-激光差动共焦定焦触发测量***、6-测量激光干涉测量镜组、7-Y向气浮导轨、8-Z向气浮导轨、9-样品姿态调整装置、10-参考平晶姿态调整装置、11-激光干涉仪、12-激光差动共焦响应曲线过零点、13-激光差动共焦响应曲线近似线性段、14-测量点、15-支撑点。

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。

本发明的自由曲面形貌纳米精度测量方法，包括Z向气浮导轨带动激光差动共焦定焦触发测量***和激光干涉位移测量镜组移动，差动共焦信号强度随之改变，得到差动共焦响应曲线，利用差动共焦响应曲线“过零点”与激光差动共焦定焦触发测量***焦点位置精确对应的特性，通过“过零点”来精确捕获激光差动共焦定焦触发测量***的焦点，实现自由曲面形貌的纳米精度测量；激光干涉位移测量镜组移动会使放置在参考平晶姿态调整装置上的高精度平面平晶的位移测量结果发生变化，将高精度平面平晶作为Z向激光干涉位移测量基准反射镜，通过处理激光干涉仪的位移测量结果，减少X向气浮导轨和Y向气浮导轨直线度对自由曲面形貌敏感测量Z方向的影响；其次，利用X向气浮导轨带动自由曲面样品姿态调整装置和参考平晶姿态调整装置运动，实现自由曲面样品X向扫描测量，利用Y向气浮导轨7带动Z向气浮导轨沿Y向运动，实现自由曲面样品Y向扫面测量；最后，根据测得的若干自由曲面样品表面轮廓数据，进行逆向建模，拟合出被测自由曲面样品表面轮廓，实现被测自由曲面形貌的纳米精度检测。

基于本发明所述的自由曲面形貌纳米精度检测方法，构建如图1所示的自由曲面形貌纳米精度检测装置。

实施例1

如图1和图2所示，本发明的装置包括：主动气浮隔震弹簧、气浮隔振基座、X向气浮导轨、龙门架、激光差动共焦定焦触发测量***、激光干涉位移测量镜组、Y向气浮导轨、Z向气浮导轨、自由曲面样品姿态调整装置、参考平晶姿态调整装置、激光干涉仪；

自由曲面形貌纳米精度检测方法，检测步骤如下：

步骤一：将高精度平面平晶分别置于自由曲面样品姿态调整装置9和参考平晶姿态调整装置10上，通过激光干涉仪11测量激光干涉测量镜组6与高精度平面平晶间的距离，调整自由曲面样品姿态调整装置9和参考平晶姿态调整装置10的姿态，保证与Z向气浮导轨8垂直；

步骤二：将被测自由曲面样品和高精度平面平晶分别放置在自由曲面样品姿态调整装置9上和参考平晶姿态调整装置10上，利用Z向气浮导轨8带动激光差动共焦定焦触发测量***5和激光干涉位移测量镜组6沿Z向移动，根据激光差动共焦响应曲线近似线性段13和激光干涉仪11测量的位移信息得到激光差动共焦响应曲线过零点12，从而获得被测自由曲面形貌的Z向表面高度和倾角信息；

步骤三：如图3所示，沿蛇形驱动X向气浮导轨3和Y向气浮导轨7，对每个测量点14重复步骤二，采集每一个测量点14的表面高度和倾角信息实现自由曲面形貌的X-Y平面扫描检测；

步骤四：被测自由曲面样品进行X向和Y向扫描检测时的直线运动误差由激光干涉仪11测量得到的位移数据进行补偿，将自由曲面样品三维形貌数据{D₁₁(x,y,z),D₁₂(x,y,z),…,D₁₂(x,y,z),D_ij(x,y,z),…,D_MN(x,y,z)}拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

实施例2

如图1、图2、图3和图4所示，自由曲面形貌纳米精度检测方法，检测步骤如下：

步骤一：将高精度平面平晶分别置于自由曲面样品姿态调整装置9和参考平晶姿态调整装置10上，通过激光干涉仪11测量激光干涉测量镜组6与高精度平面平晶间的距离，调整自由曲面样品姿态调整装置9和参考平晶姿态调整装置10的姿态，保证与Z向气浮导轨8垂直；

步骤二：将被测自由曲面样品和高精度平面平晶分别放置在自由曲面样品姿态调整装置9上和参考平晶姿态调整装置10上，利用Z向气浮导轨8带动激光差动共焦定焦触发测量***5和激光干涉位移测量镜组6沿Z向移动，根据激光差动共焦响应曲线和激光干涉仪11测量的位移信息获得被测自由曲面形貌的Z向表面高度和倾角信息；

步骤三：当被测自由曲面样品表面倾角较大，导致激光差动共焦定焦触发测量***5的激光差动共焦响应光强较弱时，如图4所示，通过纵向最小区域发进行姿态判定，利用位于支撑点15的压电陶瓷，调整球面气浮工作台的姿态，使被测自由曲面样品的倾角在***可测范围内，沿蛇形驱动X向气浮导轨3和Y向气浮导轨7，对每个测量点14重复步骤二，采集每一个测量点14的表面高度和倾角信息实现自由曲面形貌的X-Y平面扫描检测；

步骤四：被测自由曲面样品进行X向和Y向扫描检测时的直线运动误差由激光干涉仪11测量得到的位移数据进行补偿，将自由曲面样品三维形貌数据{D₁₁(x,y,z),D₁₂(x,y,z),…,D₁₂(x,y,z),D_ij(x,y,z),…,D_MN(x,y,z)}拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

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进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自由曲面零件轮廓纳米精度检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将高精度平面平晶分别置于自由曲面样品姿态调整装置(9)和参考平晶姿态调整装置(10)上，通过激光干涉仪(11)测量激光干涉测量镜组(6)与高精度平面平晶间的距离，调整自由曲面样品姿态调整装置(9)和参考平晶姿态调整装置(10)的姿态，保证与Z向气浮导轨(8)垂直；

步骤二：将被测自由曲面样品和高精度平面平晶分别放置在自由曲面样品姿态调整装置(9)上和参考平晶姿态调整装置(10)上，利用Z向气浮导轨(8)带动激光差动共焦定焦触发测量***(5)和激光干涉位移测量镜组(6)沿Z向移动，根据激光差动共焦响应曲线近似线性段(13)和激光干涉仪(11)测量的位移信息得到激光差动共焦响应曲线过零点(12)，从而获得被测自由曲面样品轮廓的Z向表面高度和倾角信息；

步骤三：当被测自由曲面样品表面倾角较大，导致激光差动共焦定焦触发测量***(5)的激光差动共焦响应光强较弱时，通过纵向最小区域法进行姿态判定，利用位于支撑点(15)的压电陶瓷，调整球面气浮工作台的姿态，使被测自由曲面样品的倾角在***可测范围内，沿蛇形路径驱动X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)，对每个测量点(14)重复步骤二，采集每一个测量点(14)的表面高度和倾角信息实现自由曲面样品轮廓的X-Y平面扫描检测；

步骤四：被测自由曲面样品进行X向和Y向扫描检测时的直线运动误差由激光干涉仪(11)测量得到的位移数据进行补偿，将自由曲面样品三维形貌数据{D₁₁(x,y,z),D₁₄(x,y,z),…,D₁₄(x,y,z),D_ij(x,y,z),…,D_MN(x,y,z)}拟合，得到被测自由曲面样品的整体面型轮廓，求解自由曲面表面轮廓的表征多项式，实现自由曲面零件轮廓的纳米精度检测。

2.根据权利1所述的一种自由曲面零件轮廓纳米精度检测方法，其特征在于：使用高精度平面平晶作为X-Y面的参考基准面，通过激光干涉仪(11)监测和补偿X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)的直线度误差，使自由曲面形貌误差降维分离，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

3.根据权利1所述的一种自由曲面零件轮廓纳米精度检测方法，其特征在于，使用抗表面倾角变化和抗散射变化的归一化激光差动共焦高精度定焦触发测量新方法，实现表面倾角变化达45°的自由曲面表面高精度轴向定焦触发检测，实现自由曲面零件轮廓的纳米精度检测。

4.根据权利要求1所述的一种自由曲面零件轮廓纳米精度检测方法，其特征在于，使用归一化激光差动共焦高精度定焦触发测量方法，直接利用激光差动共焦响应曲线近似线性段(13)对样品形貌快速测量，降低焦点跟踪要求，提高自由曲面测量效率，实现具有微细结构的自由曲面形貌快速测量。

5.根据权利要求1所述的一种自由曲面零件轮廓纳米精度检测方法，其特征在于，基于三点支撑结构设计的球面气浮自由曲面样品姿态调整装置(9)，通过压电陶瓷调节被测自由曲面样品的姿态，提高被测自由曲面样品轮廓的测量范围。

6.一种自由曲面零件轮廓纳米精度检测装置，采用龙门结构三坐标测量机的轮廓测量方式，其特征在于包括：主动气浮隔震弹簧(1)、气浮隔振基座(2)、X向气浮导轨(3)、龙门架(4)、激光差动共焦定焦触发测量***(5)、激光干涉位移测量镜组(6)、Y向气浮导轨(7)、Z向气浮导轨(8)、自由曲面样品姿态调整装置(9)、参考平晶姿态调整装置(10)、激光干涉仪(11)；其中，气浮隔振基座(2)安装在主动气浮隔震弹簧(1)上，通过主动气浮隔振弹簧(1)起到隔振的作用；将X向气浮导轨(3)固定安装在气浮隔振基座(2)上，X向气浮导轨(3)上安装有气浮导套，并将基于三点支撑结构设计自由曲面样品姿态调整装置(8)和参考平晶姿态调整装置(9)平行安装在气浮导套上；激光差动共焦定焦触发测量***(5)和激光干涉位移测量镜组(6)平行安装在Z向气浮导轨(8)上，Z向气浮导轨(8)安装在Y向气浮导轨(7)，Y向气浮导轨(7)和激光干涉仪(11)分别安装在龙门架(4)上，龙门架固定安装在气浮隔震基座(2)上。

7.根据权利要求6所述的一种自由曲面零件轮廓纳米精度检测装置，其特征在于：将高精度平面平晶作为X-Y参考基准平面装置，通过调整自由曲面样品姿态调整装置(9)和参考平晶姿态调整装置(10)的姿态与Z向气浮导轨(8)垂直，可以有效的抑制X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)的直线度误差，实现X-Y平面直线度降维误差分离，提高自由曲面形貌的测量精度。

8.根据权利要求6所述的一种自由曲面零件轮廓纳米精度检测装置，其特征在于，本装置的自由曲面零件轮廓扫面方式包括：单点扫描和单层扫描；单点扫描利用激光差动共焦定焦触发测量***(5)进行单点定焦触发测量；单层扫描利用激光差动共焦定焦触发测量***(5)的差动共焦曲线线性段的特性，降低焦点跟踪要求，对样品直接层析测量。

9.根据权利要求6所述的一种自由曲面零件轮廓纳米精度检测方法，其特征在于：将余气回收式气浮导轨技术、大行程丝杠驱动技术、纳米级压电陶瓷驱动技术、激光干涉测长技术和无扰联接器技术融合，实现宏-微跨尺度纳米精度无扰驱动与测量，为自由曲面提供高精度的三维直线定位与扫描测量手段。