CN110702030B - 用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描装置及方法。该装置包括光电自准直仪、导轨、角度扫描镜、转台、控制装置、磨镜机、测旋转对称镜面；所述导轨固定在磨镜机上；所述测旋转对称镜面支撑于磨镜机上；所述转台可滑动地安装在导轨上；所述角度扫描镜固定在转台上；所述光电自准直仪固定在导轨末端。本方案采用了扫描法测量镜面面形，保持镜面检测状态与加工状态一致，且不需较大的空间架设光路，提升了检测效率，安全性；相比五棱镜扫描技术，采用补偿技术扩大了扫描测量术的适用范围，使其可以测量球面、非球面、平面。
Description
技术领域
本发明属于光学加工检测领域，具体涉及一种用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描法，用于大口径旋转对称镜面加工过程中的面形在线检测。
背景技术
大口径旋转对称镜面光学加工，尤其是2m以上镜面是光学加工检测领域的疑难问题。在大口径镜面逼近目标面形过程中，需要采用不同的测量方法进行测量。目前普遍采用的测量方式为：粗磨、细磨过程中一般采用球径仪法测量面型，粗抛光阶段一般采用刀口法测量，精抛阶段一般采用干涉仪测量。球径仪法是一种接触式测量，直接将其放置在镜面竖直的待测镜面上，通过读取千分表方式可以方便获取测量数据，此时保持检测过程镜面状态与加工一致，但是它的精度有限；刀口法需要将待测镜面竖直放置，即镜面法线水平，才能实现测量。虽然刀口法精度很高，但在重力作用下，检测状态的改变将导致镜面形变，且频繁翻转镜面势必降低安全性，因此微米级精度的面形在线测量技术有待改进。
发明内容
本发明提供一种用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描装置及方法，用于大口径旋转对称镜面加工过程中的面形在线检测。
实现本发明目的的技术方案为：
本发明提供一种用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描装置，包括光电自准直仪、导轨、角度扫描镜、转台、控制装置、磨镜机、测旋转对称镜面；所述导轨固定在磨镜机上；所述测旋转对称镜面支撑于磨镜机上；所述转台可滑动地安装在导轨上；所述角度扫描镜固定在转台上；所述光电自准直仪固定在导轨末端；所述控制装置连接光电自准直仪、导轨、转台，用于控制转台在导轨上沿镜面主截面移动，并根据旋转对称对成镜面主截面斜率数据，控制转台旋转，使经过角度扫描镜反射的光束垂直入射到待测旋转对称镜面上。
更进一步地，所述导轨通过龙门架结构以及连接板固定在磨镜机上。
更进一步地，所述导轨为高精度扫描导轨，所述转台为高精密电动转台。
更进一步地，还包括控制装置，所述控制装置连接光电自准直仪、导轨、转台。
更进一步地，所述磨镜机为单轴磨镜机。
本发明还提供一种用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描法，包括：
步骤1：在控制装置输入待测旋转对称镜面的理想面形方程，并计算测旋旋转对称镜面的主截面斜率数据；
步骤2：使用控制装置控制转台在导轨上沿镜面主截面移动，在滑块移动过程中根据旋转对称对成镜面主截面斜率数据，控制高精度电动旋转台旋转，使经过角度扫描镜反射的光束垂直入射到待测旋转对称镜面上；
步骤3：将光电自准直仪采集到的斜率数据除以2即得到面形偏差数据，采用面形重构算法计算待测旋转对称镜面的面形偏差。
本发明与现有技术相比，显著优点为：相比刀口测量技术，本方案采用了扫描法测量镜面面形，保持镜面检测状态与加工状态一致，且不需较大的空间架设光路，提升了检测效率，安全性；相比五棱镜扫描技术，采用补偿技术扩大了扫描测量术的适用范围，使其可以测量球面、非球面、平面。
附图说明
图1为检测旋转对称镜面面形的扫描装置示意图。
图2为垂直入射下检测平面镜时角度扫描镜入/出射位置关系示意图。
图3为斜入射下检测平面镜时角度扫描镜入/出射位置关系示意图。
图4为检测理想旋转对称面镜时角度扫描镜入/出射位置关系示意图。
图5为检测一般旋转对称面镜时角度扫描镜入/出射位置关系示意图。
图中：1、光电自准直仪；2、高精度扫描导轨；3、角度扫描镜；4、高精密电动转台；5、计算机；6、单轴磨镜机；7、待测旋转对称镜面。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描装置包括光电自准直仪1、高精度扫描导轨2、角度扫描镜3、高精密电动旋转台4、计算机5、单轴磨镜机6、待测旋转对称镜面7。
高精度扫描导轨2通过龙门架结构以及连接板固定在单轴磨镜机6上；待测旋转对称镜面7由其支撑***支撑在单轴磨镜机6上；高精密电动旋转台4安装在高精度扫描导轨2的滑块上；角度扫描镜3固定在高精度电动旋转台4上；光电自准直仪1固定在高精度扫描导轨2末端；计算机5通过串口连接光电自准直仪1、高精度扫描导轨2、高精度电动旋转台4。
本发明用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描法，包括：
步骤1：在计算机5输入待测旋转对称镜面的理想面形方程，并计算旋转对称镜面7的主截面斜率数据；
步骤2：使用计算机5控制高精度扫描导轨2沿镜面主截面移动,在滑块移动过程中根据旋转对称对成镜面主截面斜率数据，控制高精度电动旋转台旋转，使经过角度扫描镜3反射的光束垂直入射到待测旋转对称镜面7上；
步骤3：根据由光电自准直仪1采集到的斜率数据，采用面形重构算法计算待测旋转对称镜面7的面形偏差。
光电自准直仪1出射一束水平准直光，通过角度扫描镜3入射到待测旋转对称镜面7上。计算机5通过串口连接光电自准直仪1、高精度扫描导轨2和高精密电动旋转台4。根据计算机5计算所得的待测旋转对称镜面7理想面形下的主截面斜率数据，利用计算机5控制高精度扫描导轨2使角度扫描镜3沿镜面主截面移动，将待测镜面波前分割成若干小孔径波前；并控制高精密电动旋转台4旋转角度扫描镜3，使其出射的光束沿当前面形测量点的法向入射。光电自准直仪1获得主截面内的斜率数据，由重构算法可获得待测旋转对称镜面7的面形偏差。
考虑单个子孔径的斜率值探测：
当待测旋转对称镜面7为一平面时，如图2所示，光电自准直仪1出射准直光垂直入射角度扫描镜3一直角面后，偏转90°垂直入射到待测旋转对称镜面7上，经其反射原路返回至光电自准直仪1。
当光束以一定角度i入射角度扫描镜3时，如图3所示，角度扫描镜3折射率为n，则根据折射定律有：
sini＝nsinθ1
由几何关系有：
θ1+θ2＝θ3+θ4＝π/4
根据反射定律，角度扫描镜3斜面上有：
θ2＝θ3
那么有θ1＝θ4
在出射直角边有折射关系：
sinθ＝nsinθ4
易得i＝θ
即当光束以一定角度i入射角度扫描镜3时，经反射后出射角亦为i。
当待测旋转对称镜面7为一理想面形时，如图4所示，欲使经角度扫描镜3反射的光束沿探测点法向入射，需转动角度扫描镜3。由理想面形解算出理想主截面斜率，根据所得数据调整角度扫描镜3的旋转角度。设法向方向与竖直方向夹角为i，则在主截面内角度扫描镜3沿水平方向偏转i/2。
当待测旋转对称镜面7存在偏差时，如图5所示，探测点斜率偏差为ε，则角度扫描镜3出射光与入射光的夹角为2ε。
由待测镜面7反射的光束经过角度扫描镜3偏转2ε后，被光电自准直仪1接收，得到主截面内该探测点处的斜率。
控制高精度扫描导轨2使得角度扫描镜3在水平方向上移动，可获得全口径下的主截面的斜率数集。
结合重构算法，从斜率重构面形方程，获得整个镜面的面形偏差。
将所得面形偏差作为加工磨制指导，控制单轴磨镜机6进一步修磨，直至面形满足要求。
本发明可解决大口径旋转对称镜面的面形检测，并突破了传统五棱镜扫描法的测量面形限制，不仅可以测量平面，亦可测量球面和非球面这些旋转对称面。检测和加工时的镜面状态一致，实时测量所得结果可在线指导镜面加工，提高了检测和加工的效率及安全性。
综上所述，本发明提供了一种用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描装置及方法。将角度扫描镜固定在高精度电动转台上，一同安置在高精度导轨滑块上，光电自准直仪固定在导轨末端，由计算机控制自准直仪、导轨和电动转台。根据待测旋转镜面的理想面形斜率，旋转角度扫描镜，使得光束沿法向入射镜面，返回携带面形偏差的光束进入自准直仪，并沿着导轨方向移动角度扫描镜，以此获得全镜面口径内各个采样点的主截面斜率。最后，利用重构算法进行面形解算恢复。本发明可测量大口径旋转对称镜面，在镜面加工的过程中实时检测指导，简化了测量光路，提升了检测效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描装置，其特征在于：包括光电自准直仪(1)、导轨、角度扫描镜(3)、转台、控制装置、磨镜机、待测旋转对称镜面(7)；所述导轨固定在磨镜机上；所述待测旋转对称镜面(7)支撑于磨镜机上；所述转台可滑动地安装在导轨上；所述角度扫描镜(3)固定在转台上；所述光电自准直仪(1)固定在导轨末端；所述控制装置连接光电自准直仪(1)、导轨、转台，用于控制转台在导轨上沿镜面主截面移动，并根据旋转对称镜面主截面斜率数据，控制转台旋转，使经过角度扫描镜(3)反射的光束垂直入射到待测旋转对称镜面(7)上。
2.根据权利要求1所述的用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描装置，其特征在于：所述导轨通过龙门架结构以及连接板固定在磨镜机上。
3.根据权利要求1所述的用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描装置，其特征在于：所述导轨为高精度扫描导轨(2)，所述转台为高精密电动转台(4)。
4.根据权利要求1所述的用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描装置，其特征在于：所述磨镜机为单轴磨镜机(6)。
5.根据权利要求1所述的用于在线检测旋转对称镜面面形的补偿式扫描装置的检测方法，其特征在于：
步骤1：在控制装置输入待测旋转对称镜面(7)的理想面形方程，并计算待测旋旋转对称镜面(7)的主截面斜率数据；
步骤2：使用控制装置控制转台在导轨上沿镜面主截面移动，在滑块移动过程中根据旋转对称镜面主截面斜率数据，控制高精度电动旋转台旋转，使经过角度扫描镜(3)反射的光束垂直入射到待测旋转对称镜面(7)上；
步骤3：将光电自准直仪(1)采集到的斜率数据除以2即得到面形偏差数据，采用面形重构算法计算待测旋转对称镜面(7)的面形偏差。
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