CN109955148B

CN109955148B - 用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置及方法

Info

Publication number: CN109955148B
Application number: CN201910204249.7A
Authority: CN
Inventors: 周炼; 韦前才; 陈贤华; 赵世杰; 谢瑞清; 张清华; 王健; 许乔; 李洁; 郑楠; 廖德峰
Original assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Current assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2023-09-22
Anticipated expiration: 2039-03-18
Also published as: CN109955148A

Abstract

本发明公开了一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，该装置搭载在磨削机床上，将待测光学元件放置磨削机床的工作台上，通过调节倾角调节装置使平面标准镜沿待测轮廓的倾斜角度等于待测轮廓的弦倾角，位移传感器一从待测轮廓的起始点运动至终止点，同时位移传感器二从平面标准镜的起始端运动至终端，将两位移传感器采集的数据输送至数据处理***，通过数据处理***计算得到待测轮廓的全频段误差，去除待测轮廓的非球面理论形貌、低频形状误差和高频粗糙度误差，得到中频波纹误差。该检测装置实现了在原有加工成形磨削机床上的在位检测，无需购置专用高精密测量仪器，也无需拆装元件，节约检测成本和检测时间。

Description

用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光学检测的技术领域，更具体的说是涉及一种用于非球面光学元件中频波纹误差的检测装置及方法。

背景技术

目前，基于X/Y/Z三正交直线轴和卧式主轴的成形磨削机床，进行大口径异形非球面光学元件的成形磨削加工，具有材料去除速率快、成形精度高、便于实现自动化加工等优点。

但是，利用上述磨削机床对大口径异形非球面光学元件进行加工，因其加工原理是基于运动复印原理，利用圆弧金刚石砂轮，在元件表面按照非球面理论轨迹进行包络式磨削加工，圆弧砂轮的轮廓会复印至元件表面，形成小尺度波纹，即中频波纹误差，一般将中频波纹误差的空间周期控制在零点几毫米至几毫米，幅值控制在几微米以内。如果该波纹误差的幅值较大，会增加后续抛光加工表面匀滑难度，极大延长冷加工的工时，所以应尽可能的降低该波纹误差。现代大型光学***对光学元件提出了严格的全频段误差控制要求，全频段误差包括低频形状误差、中频波纹误差及高频粗糙度误差。在非球面光学元件成形加工阶段，除了需要对元件的低频形状误差和高频粗糙度误差进行控制外，还需要严格控制元件表面的中频小尺度波纹误差。因此，需要对平行磨削过程中产生的小尺度波纹进行精确在位测量，并根据测量结果对表面小尺度波纹误差进行补偿修正加工，以提高非球面光学元件表面质量。

然而，采用商业化的轮廓检测仪器，如TaylorHobson轮廓仪，虽然检测精度高，但其利用接触式测量原理会在元件表面造成划痕，并且成本高，磨削加工现场环境无法达到该种精密仪器的使用要求。基于光学干涉原理的轮廓仪，难以在磨削加工后的表面形成可靠、稳定的干涉条纹，会形成大量的数据缺失点，检测精度难以保证。中国专利CN105783766A公开了一种物体轮廓检测***，在被测物体沿直线运动时，利用激光扫描幕墙对被测表面进行扫描并采集物体的坐标与轮廓数据，该***仅能快速获得被测物体的外形轮廓大小，并且存在被测物体运动误差的影响，无法精确测量被测表面的小尺度波纹数据。中国专利CN207936926U公开了一种目标物体轮廓检测***，包括承载平台、设置于所述承载平台上的一字线激光器及反射镜、图像采集器和旋转装置，一字线激光器用于发射的线激光照射于被测物体表面，图像采集器获取激光照射于目标物体表面所形成的轮廓图像，通过数据处理获得轮廓图像，同样，该***也只能获得被测物体的外形轮廓大小。在现有技术中要么测量成本高，不能满足加工现场在位检测的要求，要么只能获得被测工件的外形大小，而不能高精度得到被测表面的中频小尺度波纹数据。

因此，提供一种能够精确检测中频小尺度波纹误差的在位检测装置以提高非球面光学元件表面加工质量是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，实现了非球面光学元件中频波纹误差的在位检测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，其搭载于磨削机床上，磨削机床为X/Y/Z三正交直线轴结构，包括：

倾角调节装置，倾角调节装置放置在磨削机床的工作台上，并位于待测非球面光学元件一侧，倾角调节装置的上端面为倾斜面，倾斜面与待测非球面光学元件任一段待测轮廓的最高点至最低点连线平行；

平面标准镜，平面标准镜固定在倾角调节装置的倾斜面上；

位移传感器组件，位移传感器组件固定在磨削机床的主轴箱体上，其上具有位移传感器一和位移传感器二，位移传感器一位于待测非球面光学元件待测轮廓的上方，用于测量待测轮廓的形貌；位移传感器二位于平面标准镜的上方，测量过程中位移传感器一和位移传感器二同步运动，位移传感器一获取待测轮廓形貌的同时，位移传感器二获取磨削机床的运动误差；位移传感器一和位移传感器二通信连接数据处理***。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，将待测非球面光学元件放置在基于X/Y/Z三正交直线轴的成形磨削机床的工作台上，倾角调节装置的倾斜方向与待测非球面光学元件任一段待测轮廓的倾斜方向一致，调节倾角调节装置使平面标准镜的倾斜角度等于待测轮廓的理论弦倾角，将位移传感器一置于待测轮廓起始点的正上方，位移传感器二置于平面标准镜起始端的正上方，移动机床主轴箱体，从待测轮廓的起始点运动至终止点，机床数控仪对位移传感器一和位移传感器二采集的数据进行处理计算得到待测轮廓的形状误差，通过带通滤波处理，去除低频形状误差和高频粗糙度误差，得到中频波纹误差。本发明提供的一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置实现了在原有成形磨削机床上的在位检测，无需购置专用高精密测量仪器，也无需对元件进行拆装，节约了检测成本和检测时间。

优选的，倾角调节装置包括斜板、连接销、连接部、调节螺杆、调节螺母及底板；

底板的一端通过销轴与斜板的一端铰接；调节螺母转动连接在底板上，且靠近底板另一端设置；

连接部设置在斜板的另一端，且其上具有沿斜板倾斜方向开设且可供连接销穿设其内，且可沿其长度方向滑动的长条形滑槽或/和长孔；调节螺杆的上端与连接销固定连接，下端与调节螺母螺纹连接。

优选的，连接部为连接在斜板另一端且间隔布置的第一连接板和第二连接板，连接销通过长条形滑槽或/和长孔依次连接第一连接板、调节螺栓及第二连接板。

进一步，第一连接板上开设有长条形孔，第二连接板靠近第一连接板一侧开设有长条形槽，连接销端部依次穿过长条形孔和位于第一连接板和第二连接板之间间隙的调节螺栓上端***长条形槽内。

优选的，底板上具有锁止凸台，调节螺母的底部具有与锁止凸台适配套接的凹槽，用于横向锁止调节螺母。

采用上述方案的有益效果为：当调节倾角调节装置的倾斜角度时，转动调节螺母，带动调节螺杆在螺纹孔内上下移动，使斜板与连接销在长条形孔和长条形槽内进行相对滑动，带动斜板上升或下降，从而调节倾角调节装置的倾斜角度。

优选的，位移传感器组件还包括水平滑轨、两个滑块和两个传感器安装部；水平导轨安装在远离主轴箱体的一侧，两个滑块间隔滑动套设在水平滑轨上，两个滑块远离水平滑轨的一侧分别竖直安装有调节螺栓，两个传感器安装部分别一一对应螺纹连接在调节螺栓上，位移传感器一和位移传感器二一一对应安装在两个传感器安装部上。

优选的，水平滑轨包括安装板和导轨，安装板固定在主轴箱体上，导轨安装在所述安装板上；两个滑块间隔滑动套设在导轨上。

更为具体的，安装板磁性吸附在磨削机床的安装架上，安装架通过螺栓固定在所述主轴箱体上。

优选的，两个传感器安装部均具有安装孔，位移传感器一和位移传感器二通过锁紧螺栓一一对应紧固在安装孔内。

采用上述技术方案的有益效果为，可以对位移传感器一和位移传感器二进行水平或竖直方向的调节。

优选的，平面标准镜通过常温胶粘结在斜板上。

采用上述技术方案的有益效果是，实现平面标准镜沿待测轮廓方向倾斜角度的调节，具体如下：通过转动调节螺母，带动调节螺杆在螺纹孔中上下运动，使斜板沿着长条形孔和长条形槽与连接销进行相对滑动，带动斜板上升或下降，通过调节倾角调节装置的倾斜角度从而调节平面标准镜沿待测轮廓方向的倾斜角度。

本发明还提供了一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测方法，包括以下步骤：

S1、将进行磨削加工后的待测光学元件放置在具有用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置的磨削机床的工作台上；

S2:根据非球面方程计算待测非球面光学元件待测轮廓的非球面理论轮廓形貌Pf的数据date0，及待测非球面光学元件待测轮廓的弦倾角α；

S3、根据S2中待测非球面光学元件待测轮廓的弦倾角α调节倾角调节装置，使平面标准镜沿待测轮廓方向的倾斜角度等于α；

S4、移动机床主轴箱体，使位移传感器一位于待测轮廓pf的起始点A的正上方；

S5:沿工作台表面，将倾角调节装置和平面标准镜进行平移，使位移传感器二位于平面标准镜起始端的正上方；

S6、当所述待测轮廓为凸非球面时，竖直调节所述位移传感器一，使所述位移传感器一位于其测量量程的下限值的读数位置；当所述待测轮廓为凹非球面时，竖直调节所述位移传感器一，使所述位移传感器一位于其测量量程的上限值的读数位置；

S7、竖直调节位移传感器二，使位移传感器二位于其测量量程的中值读数位置；

S8、主轴箱体带动位移传感器一沿所述待测轮廓表面运动从待测轮廓的起始点A运动至终止点B；所述主轴箱体带动位移传感器二沿所述平面标准镜表面运动，从所述平面标准镜的起始端运动至终端；磨削机床数控仪实时采集所述位移传感器一和位移传感器二的位移数据，得到所述位移传感器一的检测数据date1和所述位移传感器二的检测数据date2；

S9、计算得到所述待测轮廓的真实形貌数据date3，

date3＝date1-date2；

S10、计算得到所述待测轮廓的形状误差，

date4，date4＝date3-date0；

S11、将所述待测轮廓的形状误差date4进行带通滤波处理，去除低频形状误差和高频粗糙度误差，得到中频波纹误差。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测方法，通过在现有的成形磨削机床上搭载用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，测量出待测轮廓的原始形状全频段误差，原始形状全频段误差包含待测轮廓的理论形貌、低频形状误差、中频波纹误差及高频粗糙度误差，利用非球面方程计算出待测轮廓的理论形貌，在原始形状全频段误差中去除该理论形貌，再通过带通滤波处理将低频形状误差及高频粗糙度误差去除即可得到中频波纹误差。本发明提供的一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测方法实现了在原有加工成形磨削机床上的在位检测，无需购置专用高精密测量仪器，也无需对元件进行拆装，节约了检测成本与检测时间。

优选的，在S2中计算待测轮廓的非球面理论轮廓形貌Pf的数据date0，及待测轮廓的弦倾角α的具体步骤如下：

S21:根据非球面方程，计算得到待测轮廓测量位置处的非球面理论形貌Pf的数值date0,

式中，C＝1/R，R为非球面顶点曲率半径，k为圆锥系数，λi为高次项系数，X,Y,Z为三维坐标中的坐标值，date0为Z值的集合；

S22:将待测轮廓的轮廓均分为若干段轮廓，并根据S21中非球面方程计算出每段轮廓的非球面理论轮廓形貌pf1、pf2……pfi,且保证每一段轮廓的弦高h均小于位移传感器的测量量程，

h_i＝Z_i最大-Z_i最小 2)；

S23：提取每一段轮廓形貌pfi的起始点Ai(X_Ai,Y_Ai,Z_Ai)、终止点Bi(X_Bi,Y_Bi,Z_Bi)的坐标，根据式3)并计算得到该段轮廓的弦倾角α_i，

采用上述技术方案的有益效果是，将待测轮廓的均分为若干段轮廓，且每段轮廓的弦高均小于位移传感器的测量量程，保证了在检测时位移传感器检测数据的有效性和精确性。

优选的S3中，转动调节螺母，带动调节螺杆在螺纹孔中上下运动，使斜板上升或下降，从而调节平面标准镜沿待测轮廓方向的倾斜角度，使其倾斜角度等于待测非球面光学元件待测轮廓的弦倾角α。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置结构示意图；

图2附图为本发明中倾角调节装置结构示意图；

图3附图为本发明中倾角调节装置的底板结构示意图；

图4附图为本发明中倾角调节装置的调节螺杆结构示意图；

图5附图为本发明传感器组件结构示意图；

图中：1-磨削机床，2-工作台，3-待测非球面光学元件，4-位移传感器一，5-位移传感器二；

6-倾角调节装置，60-斜板，61-连接销，62-调节螺杆，621-凸台，622-销孔，63-调节螺母，64-底板，641-锁止凸台，642-通孔，65-销轴，66-第一连接板，67-第二连接板，68-长条形孔，69-长条形槽；

7-平面标准镜；

8-位移传感器组件，81-安装板，82-导轨，83-滑块，84-传感器安装部，85-竖直调节螺栓，86-锁紧螺栓；

9-主轴箱体，10-安装架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，实现了非球面光学元件中频波纹误差的在位检测。

参见附图1-5，本发明提供的用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，其搭载于磨削机床1上，该磨削机床1为X/Y/Z(如附图1中坐标轴所示)三正交直线轴结构，

倾角调节装置6，倾角调节装置6，放置在工作台2上，并位于待测光学元件3一侧，倾角调节装置6的上端面为倾斜面，倾斜面与待测非球面光学元件待测轮廓的最高点至最低点连线平行，也就是说倾角调节装置放置时，倾角调节装置6上端的倾斜面的低点与待测非球面光学元件待测轮廓的低点处于水平，倾角调节装置6上端倾斜面的高点与待测非球面光学元件待测轮廓的高点处于水平；

平面标准镜7，平面标准镜7固定在倾角调节装置6的倾斜面上；

位移传感器组件8，位移传感器组件8固定在磨削机床主轴箱体9上，其上具有位移传感器一4和位移传感器二5,位移传感器一4位于待测非球面光学元件3待测轮廓的上方，待测轮廓的上方，用于测量待测轮廓的形貌；位移传感器二5位于平面标准镜7的上方，测量过程中位移传感器一4和位移传感器二5同步运动，位移传感器一4获取待测轮廓形貌的同时，位移传感器二5获取磨削机床1的运动误差；位移传感器一4和位移传感器二5通信连接数据处理***。

本发明提供的一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，将待测非球面光学元件3放置在X/Y/Z三正交直线轴结构的磨削机床的工作台2上，倾角调节装置6放置在待测非球面光学元件的一侧，且放置时保证倾角调节装置6上端倾斜面的低点与待测非球面光学元件3待测轮廓的低点处于水平，倾角调节装置6上端倾斜面的高点与待测非球面光学元件待测轮廓的高点处于水平位置。平面标准镜7固定在倾角调节装置6的倾斜面上，调节倾角调节装置6使平面标准镜7的倾斜角度等于待测轮廓的理论弦倾角，将位移传感器一4置于待测轮廓起始点的正上方，位移传感器二5置于平面标准镜7起始端的正上方，移动机床主轴箱体9，从待测轮廓的起始点运动至终止点，机床数控仪根据位移传感器一4和位移传感器二5采集的数据进行计算将得到的待测轮廓的原始全频段误差，去除待测轮廓的非球面理论形貌，通过带通滤波处理，去除低频形状误差和高频粗糙度误差，得到中频波纹误差。本发明提供的一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置实现了在原有加工成形磨削机床上的在位检测，无需购置专用高精密测量仪器，节约了检测成本，由于是在原有磨削机床上进行在位检测，使操作起来更加方便、熟练并能保证检测精度。

在本发明的一个实施例中，具体参见附图2-附图4,倾角调节装置6包括斜板60、连接部、连接销61、调节螺杆62、调节螺母63及底板64；

底板64的一端通过销轴65与斜板60的一端铰接，调节螺母63转动连接在底板64的另一端；具体为在底板64的另一端设置锁止凸台641，调节螺母63的底部具有与锁止凸台641相适配的凹槽，该凹槽与锁止凸台641相配合对调节螺母63进行横向锁止；

连接部为连接在斜板60另一端且间隔布置的第一连接板66和第二连接板67，在第一连接板66侧面设置长条形孔68，也可以是长条形槽，在第二连接板67的侧面设置长条形槽69，也可以是长条形孔，第一连接板66和第二连接板67之间具有间隙，调节螺杆62的上端置于该间隙中，且调节螺杆62的上端与连接销61固定连接，通过连接销61将第一连接板66、调节螺杆62及第二连接板67进行连接，调节螺杆62的下端与调节螺母63螺纹连接。

具体实施为，调节螺杆62的上端具有凸台621，凸台621上具有销孔622，连接销61穿过销孔622，与销孔622过盈配合，凸台621容纳在第一连接板66和第二连接板67的间隙中，连接销61的两端分别***第一连接板66的长条形孔68中和第二连接板67的长条形槽69中。

此外，为了使调节螺杆62在进行上下运动时具有活动的空间，一方面可以增加调节螺母63的厚度，使调节螺杆62在螺纹孔的腔内具有活动的空间，一方面可以在锁止凸台641的中心设置通孔642，通孔642与调节螺母63的螺纹孔相通，调节螺杆62可以在通孔642的腔内上下活动。当调节倾角调节装置6的倾斜角度时，转动调节螺母63，调节螺杆62在螺纹孔或通孔642的腔内上下运动，斜板60与连接销61在长条形孔68和长条形槽69中相对滑动，带到斜板60上下运动，从而调节倾角调节装置倾斜的角度。

在本发明的另一个实施例中，具体参见附图5，传感器组件8还包括水平滑轨、两个滑块83和两个传感器安装部84。

水平滑轨包括安装板81和导轨82，安装板81磁性吸附在主轴箱体9上的安装架10上，安装架10通过螺栓固定在主轴箱体9上。

两个滑块83间隔安装在导轨82上，两个传感器安装部84与两个滑块83一一对应，通过竖直调节螺栓85螺纹连接。

两个传感器安装部84上均具有安装孔，通过锁紧螺栓86将位移传感器一和位移传感器二一一对应紧固在上述安装孔中。

在上述实施例的基础上，倾角调节装置6的底板64为碳钢材料，工作台2为磁性工作台，底板64磁性吸附在工作台2上。

平面标准镜7通过常温胶粘结在斜板60上，实现平面标准镜7沿待测轮廓轮廓方向倾斜角度的调节，具体如下:通过转动调节螺母63，带动调节螺杆62在螺纹孔中上下运动，使斜板60与连接销61在长条形孔68和长条形槽69中相对滑动，带到斜板60上下运动，通过调节倾角调节装置倾斜的角度从而调节平面标准镜7沿待测轮廓方向的倾斜角度。

同时，本发明还提供了一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测方法，包括以下步骤：

S1:将进行磨削加工后的待测光学元件3放置在磨削机床的工作台2上；

S2:根据非球面标准方程计算待测轮廓的非球面理论轮廓形貌Pf的数据date0，及待测轮廓的弦倾角α；

S3：根据S2中的待测非球面光学元件待测轮廓弦倾角α调节倾角调节装置6，使平面标准镜7沿待测轮廓方向的倾斜角度等于α；

通过转动调节螺母63，带动调节螺杆62在螺纹孔中上下运动，使斜板60上升或下降，从而调节平面标准镜7沿待测轮廓方向的倾斜角度，使其倾斜角度等于待测非球面光学元件3待测轮廓的弦倾角α。

S4:移动机床主轴箱体9,使位移传感器一4位于待测轮廓pf的起始点A的正上方；

S5:沿工作台2表面，将倾角调节装置6和平面标准镜7进行平移，使位移传感器二5位于平面标准镜7起始端的正上方；

平面标准镜7的起始端根据待测轮廓的弦倾角而确定，沿着待测轮廓的测量运动方向，当待测轮廓的z值逐渐增大时，弦倾角α为正值，此时平面标准镜的起始端为放置在倾角调节装置6较低的一端；沿测量运动方向，当待测轮廓的z值逐渐减小时，弦倾角α为负值，此时平面标准镜的起始端为放置在倾角调节装置较高的一端；当弦倾角α为0时，平面标准镜水平放置在倾角调节装置6上，其任意一端均可以为起始端。

S6:当待测轮廓为凸非球面时，竖直调节所述位移传感器一4，使位移传感器一4位于其测量量程的下限值的读数位置；当待测轮廓为凹非球面时，竖直调节所述位移传感器一4，使位移传感器一4位于其测量量程的上限值的读数位置；

S7:竖直调节所述位移传感器二5,使所述位移传感器二5位于其测量量程的中值读数位置；

位移传感器的量程依据位移传感器的型号而定，一般传感器精度越高，其量程就越小，本实施例中位移传感器一和位移传感器二的量程为3mm，量程中值为1.5mm，精度为0.1μm。

S8:主轴箱体9带动位移传感器一4沿待测轮廓表面运动从被测轮廓的起始点A运动至终止点B；主轴箱体9带动位移传感器二5沿平面标准镜7表面运动，从平面标准镜的起始端运动至终端；

机床数控仪实时采集位移传感器一4和位移传感器二5的位移数据，得到位移传感器一的数据date1和位移传感器二的数据date2；

S9:计算得到所述待测轮廓的真实形貌数据date3，

date3＝date1-date2；

S10:计算得到所述待测轮廓的形状误差，

date4，date4＝date3-date0；

S11：将所述待测轮廓的形状误差进行带通滤波处理，去除低频形状误差和高频粗糙度误差，得到中频波纹误差。

主轴箱体9带动位移传感器一4从待测轮廓起始点A运动至终止点B时采用的是直线插补的方法。直线插补是车床上常用的一种插补方式，在此方式中，两点间的插补沿着直线的点群来逼近，沿此直线控制刀具的运动。直线插补用于实际轮廓是直线的插补方式，如果不是直线，也可以用逼近的方式把曲线用一段段线段去逼近，从而每一段线段就可以用直线插补了。首先假设在实际轮廓起始点处沿x方向走一小(一个脉冲当量)发现终点在实际轮廓的下方，则下一条线段沿y方向走一小段，此时如果线段终点还在实际轮廓下方，则继续沿y方向走一小段，直到在实际轮廓上方以后,再向x方向走一小段，依次循环类推。直到到达轮廓终点为止。这样，实际轮廓就由一段段的折线拼接而成，虽然是折线，但是如果我们每一段走刀线段都非常小(在精度允许范围内)，那么此段折线和实际轮廓还是可以近似地看成相同的曲线的。

具体的，在S2中，计算待测轮廓的非球面理论轮廓形貌Pf的数据date0，及待测轮廓的弦倾角α的具体步骤如下：

S21:根据非球面方程，计算得到待测轮廓测量位置处的非球面理论形貌Pf的数据date0,

h_i＝Z_i最大-Z_i最小 2)；

本发明公开提供了一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测方法，通过在现有的成形磨削机床上搭载用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，测量出待测轮廓的原始形状全频段误差，原始形状全频段误差包含待测轮廓的理论形貌、低频形状误差、中频波纹误差及高频粗糙度误差，利用非球面方程计算出待测轮廓的理论形貌，在原始形状全频段误差中去除该理论形貌，再通过带通滤波处理将低频形状误差及高频粗糙度误差去除即可得到中频波纹误差。本发明提供的一种用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测方法实现了在原有加工成形磨削机床上的在位检测，无需购置专用高精密测量仪器，节约了检测成本，由于是在原有磨削机床上进行在位检测，使操作起来更加方便且能保证检测精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，其搭载于磨削机床（1）上，所述磨削机床（1）为X/Y/Z三正交直线轴磨削机床；其特征在于，包括：倾角调节装置（6），所述倾角调节装置（6）放置在所述磨削机床的工作台（2）上，并位于待测非球面光学元件（3）一侧，所述倾角调节装置（6）的上端面为倾斜面，所述倾斜面与所述待测非球面光学元件（3）的待测轮廓的最高点至最低点连线平行；平面标准镜（7），所述平面标准镜（7）固定在所述倾斜面上；位移传感器组件（8），所述位移传感器组件（8）固定在所述磨削机床的主轴箱体（9）上，其上具有位移传感器一（4）和位移传感器二（5），所述位移传感器一（4）位于所述待测非球面光学元件（3）待测轮廓的上方；所述位移传感器二（5）位于所述平面标准镜（7）的上方；所述位移传感器一（4）和所述位移传感器二（5）通信连接数据处理***；

所述倾角调节装置（6）包括斜板（60）、连接销（61）、连接部、调节螺杆（62）、调节螺母（63）及底板（64）；所述底板（64）的一端通过销轴（65）与所述斜板（60）的一端铰接；所述调节螺母（63）转动连接在所述底板（64）上，且靠近所述底板（64）另一端设置；所述连接部设置在所述斜板（60）的另一端，且其上具有沿着斜板（60）倾斜方向开设且可供所述连接销（61）穿设其内，且可沿其长度方向滑动的长条形滑槽或/和长孔；所述调节螺杆（62）的上端与所述连接销（61）固定连接，下端与所述调节螺母（63）螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，其特征在于，所述连接部为连接在所述斜板另一端且间隔布置的第一连接板（66）和第二连接板（67），所述连接销（61）通过所述长条形滑槽或/和长孔依次连接所述第一连接板（66）、所述调节螺杆（62）及所述第二连接板（67）。

3.根据权利要求2所述的用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，其特征在于，所述第一连接板（66）上开设有长条形孔（68），所述第二连接板（67）靠近所述第一连接板（66）一侧开设有长条形槽（69），所述连接销（61）端部依次穿过所述长条形孔（68）和位于所述第一连接板（66）和所述第二连接板（67）之间间隙的所述调节螺杆（62）上端***所述长条形槽（69）内。

4.根据权利要求1所述用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，其特征在于，所述底板（64）上具有锁止凸台（641），所述调节螺母（63）的底部具有与所述锁止凸台（641）适配套接的凹槽。

5.根据权利要求1所述的用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，其特征在于，所述位移传感器组件（8）还包括水平滑轨、两个滑块（83）和两个传感器安装部（84）；所述水平滑轨安装在远离所述主轴箱体（9）的一侧；所述两个滑块（83）间隔滑动套设在所述水平滑轨上；所述两个滑块（83）远离所述水平滑轨的一侧分别竖直安装有调节螺栓（85）；所述两个传感器安装部（84）分别一一对应螺纹连接在调节螺栓（85）上，所述位移传感器一（4）和所述位移传感器二（5）一一对应安装在所述两个传感器安装部（84）上。

6.根据权利要求5所述的用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，其特征在于，所述水平滑轨包括安装板（81）和导轨（82），所述安装板（81）固定在所述主轴箱体（9）上，所述导轨（82）固定在所述安装板（81）上；所述两个滑块（83）间隔滑动套设在所述导轨（82）上；两个所述传感器安装部（84）均具有安装孔，所述位移传感器一（4）和所述位移传感器二（5）通过锁紧螺栓（86）一一对应紧固在所述安装孔内。

7.根据权利要求1所述的用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置，其特征在于，所述平面标准镜（7）通过常温胶粘结在所述斜板（60）上。

8.采用如权利要求1-7任一项所述的用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将磨削加工后的待测非球面光学元件（3）放置在磨削机床的工作台（2）上；

S2、根据非球面方程，计算所述待测非球面光学元件待测轮廓的非球面理论轮廓形貌Pf的数据date0，及所述待测非球面光学元件待测轮廓的弦倾角α；

S3、根据S2中所述待测非球面光学元件待测轮廓的弦倾角α，调节所述倾角调节装置（6），使所述平面标准镜（7）沿所述待测轮廓方向的倾斜角度等于α；

S4、移动所述机床主轴箱体（9），使所述位移传感器一（4）位于所述待测轮廓pf的起始点A的正上方；

S5、沿所述工作台（2）表面，将所述倾角调节装置（6）和所述平面标准镜（7）进行平移，使位移传感器二（5）位于所述平面标准镜（7）起始端的正上方；

S6、当所述待测轮廓为凸非球面时，竖直方向调节所述位移传感器一（4），使所述位移传感器一（4）位于其测量量程的下限值的读数位置；当所述待测轮廓为凹非球面时，竖直方向调节所述位移传感器一（4），使所述位移传感器一（4）位于其测量量程的上限值的读数位置；

S7、竖直调节所述位移传感器二（5），使所述位移传感器二（5）位于其测量量程的中值读数位置；

S8、所述主轴箱体（9）带动所述位移传感器一（4）沿所述待测轮廓表面运动从所述待测轮廓的起始点A运动至终止点B；所述主轴箱体（9）带动位移传感器二（5）沿所述平面标准镜（7）表面运动，从所述平面标准镜的起始端运动至终端；

数据处理***实时采集所述位移传感器一（4）和位移传感器二（5）的位移数据，得到所述位移传感器一的采集数据date1和所述位移传感器二的采集数据date2；

S9、计算得到所述待测轮廓的真实形貌数据date3，

date3＝date1-date2；

S10、计算得到所述待测轮廓的形状误差，date4，

date4＝date3-date0；

S11、将S10中所述待测轮廓的形状误差date4进行带通滤波处理，去除低频形状误差和高频粗糙度误差，得到中频波纹误差。

9.根据权利要求8所述的用于非球面光学元件中频波纹误差的在位检测方法，其特征在于，所述S2中计算所述待测轮廓的非球面理论轮廓形貌Pf的数据date0，及所述待测轮廓的弦倾角α的具体步骤如下：

S21：根据非球面方程，计算得到所述待测轮廓测量位置处的非球面理论形貌Pf的数据date0，

式中，C＝1/R，R为非球面顶点曲率半径，k为圆锥系数，λi为高次项系数，X，Y，Z为三维坐标中的坐标值，date0为Z值的集合；

S22：将待测轮廓的轮廓均分为若干段轮廓，并根据S21中非球面方程计算出每段轮廓的非球面理论轮廓形貌pf1、pf2…… pfi，且保证每一段轮廓的弦高h均小于所述位移传感器的测量量程，

S23：提取每一段轮廓形貌pfi的起始点Ai(X_Ai ,Y_Ai ,Z_Ai)、终止点Bi(X_Bi ,Y_Bi ,Z_Bi)的坐标，根据式3）并计算得到该段轮廓的弦倾角α_i，

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