CN110057337A - 基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置，属于光学精密检测技术领域。本发明使用高精度平面平晶作为X‑Y面的参考基准平面，利用同轴安装的高精度高度测量传感器和自由曲面测量传感器分别检测高精度平面平晶和被测自由曲面表面高度信息，利用高精度高度测量传感器获取的高精度平面平晶表面高度信息监测和补偿X向气浮导轨和Y向气浮导轨的直线度误差，对自由曲面表面形貌进行降维误差分离，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。本发明能够实现自由曲面检测提供高精度的三维直线定位与扫描测量，能够抑制X、Y向导轨运动直线度误差对自由曲面测量的影响，减小Z轴阿贝误差对测量的影响，实现自由曲面大范围、纳米精度测量。

Description

基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置

技术领域

本发明属于光学精密检测技术领域，涉及一种自由曲面的高精度检测方法及装置，可用于精密光学***中自由曲面的纳米精度检测。

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。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，对光学设计、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，但测量问题却已成为亟待研究解决的难题。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，因此元件面形能否满足设计要求必须由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主要分为光场图像探测法、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，现有仪器测量精度较低，仅为1～10mm。探针三维扫描探测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，该方法具有测量精度高、适用范围广等优势，已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：清晰度法、飞行时间法和共焦定位法。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，现有测量方法测量精度受样品表面粗糙度、起伏、倾角等特性差异的影响大，是目前提高自由曲面轮廓测量精度的主要技术瓶颈。

针对上述问题，本发明利用高精度平面平晶作为X-Y面的参考基准面，将监测基准平面的传感器和测量自由曲面高度信息的传感器同轴安装，减少导轨及桁架倾斜带来的阿贝误差；通过参考基准面的高度变化监测和补偿X向和Y 向气浮导轨的直线度误差，实现自由曲面高精度测量的降维误差分离，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，为自由曲面检测提供高精度的三维直线定位与扫描测量手段。

发明内容

为了提高自由曲面的检测精度和效率，克服现有技术的不足，本发明公开的基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置要解决的技术问题是：实现自由曲面检测提供高精度的三维直线定位与扫描测量，能够抑制X、Y向导轨运动直线度误差对自由曲面测量的影响，减小Z轴阿贝误差对测量的影响，实现自由曲面大范围、纳米精度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法，使用高精度平面平晶作为X-Y面的参考基准平面，利用同轴安装的高精度高度测量传感器和自由曲面测量传感器分别检测高精度平面平晶和被测自由曲面表面高度信息，然后利用高精度高度测量传感器获取的高精度平面平晶表面高度信息来监测和补偿X向气浮导轨和Y向气浮导轨的直线度误差，对自由曲面测量传感器获取的自由曲面表面形貌进行降维误差分离，实现自由曲面形貌的纳米精度检测；其中，高精度高度测量传感器和自由曲面测量传感器同轴安装在桁架上，且其轴线与Z向气浮导轨平行，能够减小Z轴移动带来的阿贝误差；具体包括以下步骤：

步骤一：将高精度平面平晶置于参考平晶姿态调整装置上，利用高精度高度测量传感器对高精度平面平晶表面进行监测，调整参考平晶姿态调整装置的姿态，使其与Z向气浮导轨垂直；

步骤二：将高精度平面平晶置于自由曲面样品姿态调整装置上，利用自由曲面测量传感器对高精度平面平晶表面进行监测，调整自由曲面样品姿态调整装置的姿态，使其与Z向气浮导轨垂直；

步骤三：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和参考平晶姿态调整装置上，利用Z向气浮导轨带动桁架沿Z向移动，通过高精度高度测量传感器和自由曲面测量传感器同时获取高精度平面平晶和被测自由曲面样品的Z向表面高度信息；

步骤四：当被测自由曲面样品表面倾角超过自由曲面测量传感器的倾角测量范围时，通过纵向最小区域法进行姿态判定，调节自由曲面样品姿态调整装置(9)使被测自由曲面样品的倾角在***可测范围内；然后，驱动X向气浮导轨和Y向气浮导轨沿蛇形路径扫描被测自由曲面样品，通过高精度高度测量传感器和自由曲面测量传感器获取每个测量点的表面高度数据，实现被测自由曲面样品轮廓的X-Y平面扫描检测；

步骤五：利用高精度高度测量传感器测量得到的表面高度数据对X-Y平面扫描检测时的直线运动误差进行补偿，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，进而实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

本发明的基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法中，自由曲面样品姿态调整装置用于提高被测自由曲面样品的测量范围；

本发明的基于基准平面比较测量的自由曲面测量装置，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，采用龙门结构三坐标测量机的轮廓测量方式，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、高精度高度测量传感器、自由曲面测量传感器、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、桁架；

其中，气浮隔振基座置于主动气浮隔震弹簧上，X向气浮导轨和龙门架固定在气浮隔振基座上，Y向气浮导轨安装在龙门架上，Z向气浮导轨安装在Y 向气浮导轨导套上；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X向气浮导轨导套上，且与Z向气浮导轨垂直；高精度高度测量传感器和自由曲面测量传感器通过桁架同轴固定在Z向气浮导轨上，且与Z向气浮导轨平行。

本发明所述的基于基准平面比较测量的自由曲面测量装置，将高精度平面平晶置于参考平晶姿态调整装置上作为X-Y参考基准平面装置；高精度高度测量传感器用于监测和补偿X向气浮导轨和Y向气浮导轨的直线度误差，实现X-Y 平面直线度误差降维分离，提高自由曲面形貌的测量精度；对自由曲面测量传感器测量得到的自由曲面表面形貌进行降维误差分离，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

本发明的基于基准平面比较测量的自由曲面测量装置中，所述自由曲面样品姿态调整装置采用三点支撑结构，用于提高被测自由曲面样品的可测量范围。

有益效果：

1)本发明公开的基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置，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，能够大幅减小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；利用监测平晶的高精度高度传感器和自由曲面测量传感器同轴安装的方式，能够大幅度降低Z轴移动带来的阿贝误差，能够将自由曲面样品轮廓的扫描检测精度提高到 50nm；

2)本发明公开的基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置，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，通过压电陶瓷能够调节被测自由曲面样品的姿态，能够将被测自由曲面样品轮廓的倾角测量范围从15°提高至45°；

3)本发明公开的基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置，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能够在大于100mm的移动范围上实现纳米级进给分辨率和定位，能够提高自由曲面样品在进行X向和Y向扫描检测时的精度，使X、Y向位置和尺寸测量精度从2μm 提高至0.6μm。

附图说明

图1a)为本发明基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置一示意图；

图1b)为本发明基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法及装置二示意图；

图2为本发明基于基准平面比较测量的自由曲面测量装置的X-Y平面内扫描检测路径示意图；

图3为本发明基于基准平面比较测量的自由曲面测量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-气浮隔振基座、3-X向气浮导轨、4-龙门架、5-高精度高度测量传感器、6-自由曲面测量传感器、7-Y向气浮导轨、8-Z 向气浮导轨、9-自由曲面样品姿态调整装置、10-参考平晶姿态调整装置、11-桁架、12-测量点、13-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。

本实施例的基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法，首先利用高精度平面平晶作为Z向基准反射镜，将高精度自由曲面测量传感器6和监测平面平晶的高精度高度测量传感器5同轴安装在桁架上，Z向气浮导轨8带动桁架移动；通过处理相应高精度高度测量传感器5位移测量结果，减少X向气浮导轨3和 Y向气浮导轨7直线度对自由曲面敏感测量Z方向的影响，从而实现自由曲面的纳米精度检测；然后，利用X向气浮导轨3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8沿Y向运动，实现自由曲面样品Y向扫描测量；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，实现被测自由曲面的纳米精度检测。根据自由曲面降维误差分离检测方法，本发明专利构建使用光谱共焦位移测量传感器作为自由曲面测量传感器6和高精度高度测量传感器5的自由曲面非接触降维误差分离检测装置。

实施例1

如图1a)所示，本实施例公开的基于基准平面比较测量的自由曲面测量装置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、高精度高度测量传感器5、自由曲面测量传感器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、桁架11；

本实施例公开的基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法，检测步骤如下：

步骤一：将高精度平面平晶置于参考平晶姿态调整装置10上，利用第一光谱共焦距离测量传感器5对高精度平面平晶表面进行监测，调整参考平晶姿态调整装置10的姿态，使其与Z向气浮导轨8垂直；

步骤二：将高精度平面平晶置于自由曲面样品姿态调整装置9上，利用自由曲面测量传感器6对高精度平面平晶表面进行监测，调整自由曲面样品姿态调整装置9的姿态，使其与Z向气浮导轨8垂直；

步骤三：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和参考平晶姿态调整装置10上，利用Z向气浮导轨8带动桁架 11沿Z向移动，通过第一光谱共焦距离测量传感器5和第二光谱共焦距离测量传感器6同时获取高精度平面平晶和被测自由曲面样品的Z向表面高度信息；

步骤四：当被测自由曲面样品表面倾角超过自由曲面测量传感器6的倾角测量范围时，通过纵向最小区域法进行姿态判定，调节自由曲面样品姿态调整装置9使被测自由曲面样品的倾角在***可测范围内；然后，驱动X向气浮导轨3和Y向气浮导轨7沿蛇形路径扫描被测自由曲面样品，通过第高精度高度测量传感器5和自由曲面测量传感器6获取每个测量点12的表面高度数据，实现被测自由曲面样品轮廓的X-Y平面扫描检测；

步骤五：利用高精度高度测量传感器5测量得到的表面高度数据对X-Y平面扫描检测时的直线运动误差进行补偿，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，进而实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

实施例2

如图1b)所示，本实施例公开的基于基准平面比较测量的自由曲面测量装置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、高精度高度测量传感器5、自由曲面测量传感器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、桁架11；

被测自由曲面和高精度平面平晶安装于Z轴上，两个同轴的光谱共焦距离测量传感器通过桁架11安装于蛇形驱动的X向气浮导轨3上；

本实施例公开的基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法，检测步骤如下：

步骤一：将高精度平面平晶置于参考平晶姿态调整装置10上，利用高精度高度测量传感器5对高精度平面平晶表面进行监测，调整参考平晶姿态调整装置10的姿态，使其与Z向气浮导轨8垂直；

步骤二：将高精度平面平晶置于自由曲面样品姿态调整装置9上，利用自由曲面测量传感器6对高精度平面平晶表面进行监测，调整自由曲面样品姿态调整装置9的姿态，使其与Z向气浮导轨8垂直；

步骤三：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和参考平晶姿态调整装置10上，利用Z向气浮导轨8带动桁架 11沿Z向移动，通过高精度高度测量传感器5和第自由曲面测量传感器6同时获取高精度平面平晶和被测自由曲面样品的Z向表面高度信息；

步骤四：利用高精度高度测量传感器5测量得到的表面高度数据对X-Y平面扫描检测时的直线运动误差进行补偿，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，进而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 (5)

1.基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法，其特征在于：使用高精度平面平晶作为X-Y面的参考基准平面，利用同轴安装的高精度高度测量传感器(5)和自由曲面测量传感器(6)分别检测高精度平面平晶和被测自由曲面表面高度信息，然后利用高精度高度测量传感器(5)获取的高精度平面平晶表面高度信息来监测和补偿X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)的直线度误差，对自由曲面测量传感器(6)获取的自由曲面表面形貌进行降维误差分离，实现自由曲面形貌的纳米精度检测；其中，高精度高度测量传感器(5)和自由曲面测量传感器(6)同轴安装在桁架(11)上，且其轴线与Z向气浮导轨(8)平行，能够减小Z轴移动带来的阿贝误差；具体包括以下步骤，

步骤一：将高精度平面平晶置于参考平晶姿态调整装置(10)上，利用高精度高度测量传感器(5)对高精度平面平晶表面进行监测，调整参考平晶姿态调整装置(10)的姿态，使其与Z向气浮导轨(8)垂直；

步骤二：将高精度平面平晶置于自由曲面样品姿态调整装置(9)上，利用自由曲面测量传感器(6)对高精度平面平晶表面进行监测，调整自由曲面样品姿态调整装置(9)的姿态，使其与Z向气浮导轨(8)垂直；

步骤三：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)和参考平晶姿态调整装置(10)上，利用Z向气浮导轨(8)带动桁架(11)-沿Z向移动，通过高精度高度测量传感器(5)和自由曲面测量传感器(6)同时获取高精度平面平晶和被测自由曲面样品的Z向表面高度信息；

步骤四：当被测自由曲面样品表面倾角超过自由曲面测量传感器(6)的倾角测量范围时，通过纵向最小区域法进行姿态判定，调节自由曲面样品姿态调整装置(9)使被测自由曲面样品的倾角在***可测范围内；然后，驱动X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)沿蛇形路径扫描被测自由曲面样品，通过高精度高度测量传感器(5)和自由曲面测量传感器(6)获取每个测量点(12)的表面高度数据，实现被测自由曲面样品轮廓的X-Y平面扫描检测；

步骤五：利用高精度高度测量传感器(5)测量得到的表面高度数据对X-Y平面扫描检测时的直线运动误差进行补偿，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，进而实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

2.根据权利要求1所述的基于基准平面比较测量的自由曲面测量方法，其特征在于：所述自由曲面样品姿态调整装置(9)用于提高被测自由曲面样品的测量范围。

3.基于基准平面比较测量的自由曲面测量装置，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，其特征在于：采用龙门结构三坐标测量机的轮廓测量方式，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)、高精度高度测量传感器(5)、自由曲面测量传感器(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)、桁架(11)；

其中，气浮隔振基座(2)置于主动气浮隔震弹簧(1)上，X向气浮导轨(3)和龙门架(4)固定在气浮隔振基座(2)上，Y向气浮导轨(7)安装在龙门架(4)上，Z向气浮导轨(8)安装在Y向气浮导轨(7)导套上；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)平行安装在X向气浮导轨(3)导套上，且与Z向气浮导轨(8)垂直；高精度高度测量传感器(5)和自由曲面测量传感器(6)通过桁架(11)同轴固定在Z向气浮导轨(8)上，且与Z向气浮导轨(8)平行。

4.根据权利要求3所述的基于基准平面比较测量的自由曲面测量装置，其特征在于：将高精度平面平晶置于参考平晶姿态调整装置(10)上作为X-Y参考基准平面装置；高精度高度测量传感器(5)用于监测和补偿X向气浮导轨(3)和Y向气浮导轨(7)的直线度误差，实现X-Y平面直线度误差降维分离，提高自由曲面形貌的测量精度；对自由曲面测量传感器(6)测量得到的自由曲面表面形貌进行降维误差分离，实现自由曲面形貌的纳米精度检测。

5.根据权利要求3所述的基于基准平面比较测量的自由曲面测量装置，其特征在于：所述自由曲面样品姿态调整装置(9)采用三点支撑结构，用于提高被测自由曲面样品的测量范围。