CN111288933B - 一种球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法 - Google Patents

一种球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法，采用自动定心装置，所述的自动定心装置包括样品台、三维位移台、三台激光位移传感器、数据采集单元、数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并控制三维位移台运动至光学元件轴心线位置的控制单元；自动定心时，三台激光位移传感器同时提供被测光学元件上三个采样点的相对距离，当三个采样点的相对距离为0或者小于允许误差阈值时，即可认为三个采样点构成的截面为垂直于光轴的圆形截面，圆心即光学元件轴心线位置。本发明简单易行，无需对球面或旋转对称非球面光学元件进行旋转，降低机械设计与装配难度，实现光学元件的非接触式、快速、自动定心。

Description

一种球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其是涉及一种球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法。
背景技术
在光学元件的表面缺陷检测领域，主要采用显微成像***对被检样品表面进行扫描成像，从而获得表面缺陷的形貌与分布。作为实现光束聚焦和分散的重要的手段，球面光学元件和旋转对称非球面光学元件发挥着重要作用，然而却由于其复杂的表面形式，给表面缺陷检测带了巨大困难。在进行球面与旋转对称非球面光学元件检测时，需要首先完成元件定心，以轴心线线位置作为参考点，进行扫描路径规划。
现有的球面光学元件自动定心方法，如公开号为CN105157617A的中国专利文献公开了应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定心方法，采用球面反射十字叉丝成像，利用自旋转台带动被测球面光学元件旋转，观察十字叉丝位置变化，拟合叉丝运动轨迹的圆心，从而实现球面光学元件定心。然而，上述这种方法对机械结构的要求高，需要设计自旋转台结构带动样品旋转，增加了设计、加工和装调的复杂性；并且这种方法无法适用于旋转对称的非球面定心。当今球面与旋转对称非球面或旋转对称非球面光学元件通常设计为前表面为曲面，后表面为矩形平面的结构，其长宽尺寸已发展至数百至数千毫米，重量达数百千克。显然，自旋转台结构将大大增加定心***机械复杂度、增加定心所需时间，不适用当今球面与旋转对称非球面光学元件和旋转对称非球面光学元件的定心需求。
因此，需要设计简单、高效的装置与方法，实现球面与旋转对称非球面光学元件的自动定心。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法，实现球面与旋转对称非球面光学元件的非接触式、快速、自动定心。
本发明的技术方案如下：
一种球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法，采用自动定心装置，所述的自动定心装置包括样品台、三维位移台、安装在三维位移台上的三台激光位移传感器、与激光位移传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并控制三维位移台运动至光学元件轴心线位置的控制单元；
具体包括以下步骤：
(1)对三台激光位移传感器的初始位置进行定标；
(2)采用竖直放置姿态，将待定心的球面或旋转对称非球面光学元件固定在样品台上；
(3)移动三维位移台的X、Y两轴，使三台激光位移传感器的三个采样点全部位于球面光学元件的表面；其中，所述三维位移台的X、Y轴与光学元件的光轴互相垂直；
(4)移动三维位移台的Z轴，使三台激光位移传感器全部位于工作距离之内，通过数据采集单元获得球面或旋转对称非球面光学元件上三个采样点距离对应激光位移传感器的相对距离d1、d2、d3；其中，所述三维位移台的Z轴与光学元件的光轴互相平行；
(5)控制单元控制三维位移台进行Y轴移动，直至满足|d1-d2|＜Δd，Δd为允许误差阈值；
(6)控制单元控制三维位移台进行X轴移动，直至满足|d2-d3|＜Δd，Δd为允许误差阈值；
(7)若|d1-d2|＞Δd，则重复步骤(5)-步骤(6)，数据分析处理单元实时反馈三个采样点的相对距离，并矫正样品调平台的移动量，直至同时满足|d1-d2|＜Δd、|d2-d3|＜Δd，此时，三台激光位移传感器构成三角形的外心位置即光学元件轴心线位置，从而完成球面或旋转对称非球面光学元件自动定心。
本发明的自动定心装置中，三维位移台的X、Y轴与光学元件的光轴互相垂直，可承载激光位移传感器进行二维平移；Z轴与光学元件的光轴互相平行，可承载激光位移传感器轴向平移。三台激光位移传感器的测量方向均与Z轴平行，同时提供光学元件上三个采样点距离激光位移传感器的相对距离。
三台激光位移传感器呈三角形安装在三维位移台上。
优选地，三台激光位移传感器呈直角三角形安装在三维位移台上，第一激光位移传感器与第二激光位移传感器安装位置的连线平行于Y轴；第二激光位移传感器与第三激光位移传感器安装位置的连线平行于X轴。
所述的球面或旋转对称非球面光学元件通过夹持机构固定在样品台上。
在定心之前，首先对三台激光位移传感器初始位置定标。三个采样点在光学元件表面构成一个截面，根据球面和旋转对称非球面光学元件的特性，其垂直于光轴的任意截面都为圆形。因此，当三个采样点的相对距离为0或者小于允许误差阈值时，即可认为此截面为垂直于光轴的圆形截面，三个采样点构成的三角形为该圆形截面的内接三角形，圆心(三角形的外心)即光学元件轴心线。自动定心时，数据采集单元与三台激光位移传感器连接，实时接收三个采样点的相对距离，并传输给数据分析处理单元。经分析处理后反馈给位移台控制单元，控制三维位移台至光学元件轴心线位置，完成自动定心。定心过程中，实时反馈三个采样点的相对距离，并矫正三维位移台的移动量，实现闭环控制。
所述的竖直放置姿态，是指球面或旋转对称非球面光学元件的光轴平行于水平面放置。
所述的激光位移传感器，是一种非接触式测量传感器，应用激光三角反射原理，获得待测物体与传感器之间的直线距离。
所述的激光位移传感器测量方向，是激光位移传感器的出射激光方向，即获得待测物体与传感器之间直线距离的方向。
步骤(1)中，对三台激光位移传感器初始位置定标的具体步骤为：
(1-1)采用竖直放置姿态，将定标用的球面或旋转对称非球面光学元件通过夹持机构固定在样品台上；
(1-2)移动三维位移台的X、Y两轴，使三台激光位移传感器的三个采样点全部位于光学元件的表面；
(1-3)移动三维位移台的Z轴，使三台激光位移传感器全部位于其工作距离之内，获得球面或旋转对称非球面光学元件上三个采样点距离激光位移传感器的相对距离；
(1-4)使用三维位移台承载第一激光位移传感器，分别扫描球面或旋转对称非球面光学元件沿X、Y方向的两条截线，实时记录三维位移台的坐标位置，以及第一激光位移传感器采集的相对距离d1；在X方向上，d1取得最小值时，对应的三维位移台X轴坐标记为X1；在Y方向上，d1取得最小值时，对应的三维位移台Y轴坐标记为Y1；(X1，Y1)为第一激光位移传感器的定标位置；
(1-5)重复步骤(4)所述方法，获得第二激光位移传感器的定标位置(X2，Y2)、第三激光位移传感器的定标位置(X3，Y3)；
(1-6)计算坐标(X1，Y1)、(X2，Y2)和(X3，Y3)三点构成的三角形的外心(a，b)，并将三维位移台XY轴移动至坐标位置(a，b)；
(1-7)将三台激光位移传感器采集的相对距离d1、d2、d3置为0，完成三台激光位移传感器初始位置定标。
对三台激光位移传感器初始位置定标的目的是：由于***安装时，无法严格保证三台激光位移传感器位于同一平面内；因此在自动定心前需要对三台激光位移传感器的初始相对距离进行定标，获得三台激光位移传感器的相对位置信息。如果三台激光位移传感器相对位置没有发生变化，定标工作只需要在***首次使用时进行。
步骤(1-6)中，坐标位置(a，b)计算方法如下：
Figure BDA0002394965110000051
Figure BDA0002394965110000052
步骤(5)和步骤(6)中，允许误差阈值Δd可根据激光位移传感器的测量精度决定，一般设定的阈值应大于激光位移传感器的测量精度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明为球面或旋转对称非球面光学元件的自动定心提供了一种新的装置和方法，对于球面与旋转对称非球面光学元件，仅需要承载激光位移传感器进行三维移动，而不需要样品自旋台结构，大大降低了机械设计、装调难度；采用三台激光位移传感器实时闭环调整，不需要对样品全口径扫描，大大提升了定心速度和精度。定心方法操作简单、步骤少、速度快、效率高，具有很大的工程应用价值，为高效、快速、高精度球面与旋转对称非球面光学元件表面缺陷检测奠定了基础。
附图说明
图1为本发明中自动定心装置的结构示意图；
图2为本发明中激光位移传感器初始位置定标示意图；
图3为本发明中激光位移传感器初始位置定标曲线图；
图4为三维位移台Y轴定心过程图；
图5为三维位移台X轴定心过程图；
图6为本发明球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明的方法采用自动定心装置，如图1所示，使用光学元件7是一块长800mm、宽600mm、曲率半径2000mm的平凸球面光学元件，采用竖直放置姿态固定在样品台上。三台激光位移传感器采用同一型号，其工作距离90±20mm，线性精度±12μm，设置允许误差阈值Δd为12μm。三台激光位移传感器分别为：第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2、第三激光位移传感器3。所使用三维位移台是大行程、高精度的三维位移台，其定位精度±10μm。三台激光位移传感器放置在三维位移台上，距离样品约90mm。
三维位移台的X、Y轴与光学元件7的光轴互相垂直，可承载激光位移传感器进行二维平移；Z轴与球面光学元件的光轴互相平行，可承载激光位移传感器轴向平移；原点0位于三维位移台XY轴的机械起始点。
三台激光位移传感器放置在XY平面内，其放置位置的连线构成一个三角形。第一激光位移传感器1与第二激光位移传感器2放置位置的连线平行于Y轴，距离300mm；第二激光位移传感器2与第三激光位移传感器3放置位置的连线平行于X轴，距离300mm。三台激光位移传感器的测量方向均与Z轴平行，同时提供球面光学元件上三个采样点距离激光位移传感器的相对距离。其中，第一激光位移传感器1对应采样点4，第二激光位移传感器2对应采样点5，第三激光位移传感器3对应采样点6。
如图2，三台激光位移传感器初始位置定标方法如下：
步骤1、采用竖直放置姿态，将球面或旋转对称非球面的光学元件7通过夹持机构固定在样品台上；
步骤2、移动三维位移台的X、Y两轴，使三台激光位移传感器的三个采样点全部位于光学元件7的表面；
步骤3、移动三维位移台的Z轴，使三台激光位移传感器全部位于工作距离之内，获得光学元件7上三个采样点距离激光位移传感器的相对距离；
步骤4、使用三维位移台承载第一激光位移传感器1，扫描光学元件7沿X、Y方向的两条截线(虚线)，实时记录三维位移台的坐标位置，以及第一激光位移传感器1采集的相对距离d1。如图3中(a)所示，以X轴为横坐标、d1为纵坐标绘制曲线，d1取得最小值时，对应的三维位移台X轴坐标记为X1；如图3中(b)所示，以Y轴为横坐标，d1为纵坐标绘制曲线，d1取得最小值时，对应的三维位移台Y轴坐标记为Y1。(X1，Y1)为第一激光位移传感器1的定标位置；
步骤5、重复步骤4所述方法，获得第二激光位移传感器2的定标位置(X2，Y2)、第三激光位移传感器3的定标位置(X3，Y3)。三台激光位移传感器初始位置定标结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002394965110000071
Figure BDA0002394965110000081
步骤6、将三维位移台移动至三台激光位移传感器构成三角形的外心(a，b)，此时在XY平面内，球面与旋转对称非球面光学元件的轴心线和外心重合；其中三角形外心(a，b)计算方法如下：
Figure BDA0002394965110000082
Figure BDA0002394965110000083
代入(X1，Y1)、(X2，Y2)、(X3，Y3)，计算得a＝411.2896，b＝320.8210。
步骤7、将三台激光位移传感器采集的相对距离d1、d2、d3置为0，完成三台激光位移传感器初始位置定标。
如图6所示，球面或旋转对称非球面的光学元件自动定心方法如下：
S01、采用竖直放置姿态，将球面或旋转对称非球面的光学元件7通过夹持机构固定在样品台上。
S02、移动三维位移台的X、Y两轴，使三台激光位移传感器的三个采样点全部位于光学元件7的表面。
S03、移动三维位移台的Z轴，使三台激光位移传感器全部位于工作距离之内，获得光学元件7上三个采样点距离激光位移传感器的相对距离d1、d2、d3。
S04、在Y方向上，当三维位移台偏离轴心线位置时，|d1-d2|＞Δd，如图4中(a)所示；三维位移台进行Y轴移动，直至满足|d1-d2|＜Δd，如图4中(b)所示。
S05、在X方向上，当三维位移台偏离轴心线位置时，|d2-d3|＞ΔdΔd，如图5中(a)所示；三维位移台进行X轴移动，直至满足|d2-d3|＜Δd，如图5中(b)所示。
S06、若此时|d1-d2|＞Δd，则重复步骤S04-步骤S05，实时反馈三个采样点的相对距离，并矫正三维位移台的移动量，直至同时满足|d1-d2|＜Δd、|d2-d3|＜Δd，此时三台激光位移传感器构成三角形的外心即光学元件轴心线位置，，完成球面与旋转对称非球面光学元件自动定心。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法，其特征在于，采用自动定心装置，所述的自动定心装置包括样品台、三维位移台、安装在三维位移台上的三台激光位移传感器、与激光位移传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并控制三维位移台运动至光学元件轴心线位置的控制单元；
具体包括以下步骤：
(1)对三台激光位移传感器的初始位置进行定标；
(2)采用竖直放置姿态，将待定心的球面或旋转对称非球面光学元件固定在样品台上；
(3)移动三维位移台的X、Y两轴，使三台激光位移传感器的三个采样点全部位于球面或旋转对称非球面光学元件的表面；其中，所述三维位移台的X、Y轴与光学元件的光轴互相垂直；
(4)移动三维位移台的Z轴，使三台激光位移传感器全部位于工作距离之内，通过数据采集单元获得球面或旋转对称非球面光学元件上三个采样点距离对应激光位移传感器的相对距离d1、d2、d3；其中，所述三维位移台的Z轴与光学元件的轴心线互相平行；
(5)控制单元控制三维位移台进行Y轴移动，直至满足|d1-d2|＜Δd，Δd为允许误差阈值；
(6)控制单元控制三维位移台进行X轴移动，直至满足|d2-d3|＜Δd，Δd为允许误差阈值；
(7)若|d1-d2|＞Δd，则重复步骤(5)-步骤(6)，数据分析处理单元实时反馈三个采样点的相对距离，并矫正样品台的移动量，直至同时满足|d1-d2|＜Δd、|d2-d3|＜Δd，此时，三台激光位移传感器构成三角形的外心位置即光学元件轴心线位置，从而完成球面或旋转对称非球面光学元件自动定心。
2.根据权利要求1所述的球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法，其特征在于，三台激光位移传感器呈三角形安装在三维位移台上。
3.根据权利要求2所述的球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法，其特征在于，三台激光位移传感器呈直角三角形安装在三维位移台上，第一激光位移传感器与第二激光位移传感器安装位置的连线平行于Y轴；第二激光位移传感器与第三激光位移传感器安装位置的连线平行于X轴。
4.根据权利要求1所述的球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法，其特征在于，所述的球面或旋转对称非球面光学元件通过夹持机构固定在样品台上。
5.根据权利要求1所述的球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法，其特征在于，步骤(1)的具体步骤为：
(1-1)采用竖直放置姿态，将定标用的球面或旋转对称非球面光学元件通过夹持机构固定在样品台上；
(1-2)移动三维位移台的X、Y两轴，使三台激光位移传感器的三个采样点全部位于光学元件的表面；
(1-3)移动三维位移台的Z轴，使三台激光位移传感器全部位于其工作距离之内，获得球面或旋转对称非球面光学元件上三个采样点距离激光位移传感器的相对距离；
(1-4)使用三维位移台承载第一激光位移传感器，分别扫描球面或旋转对称非球面光学元件沿X、Y方向的两条截线，实时记录三维位移台的坐标位置，以及第一激光位移传感器采集的相对距离d1；在X方向上，d1取得最小值时，对应的三维位移台X轴坐标记为X1；在Y方向上，d1取得最小值时，对应的三维位移台Y轴坐标记为Y1；(X1,Y1)为第一激光位移传感器的定标位置；
(1-5)重复步骤(4)所述方法，获得第二激光位移传感器的定标位置(X2,Y2)、第三激光位移传感器的定标位置(X3,Y3)；
(1-6)计算坐标(X1,Y1)、(X2,Y2)和(X3,Y3)三点构成的三角形的外心(a,b)，并将三维位移台XY轴移动至坐标位置(a,b)；
(1-7)将三台激光位移传感器采集的相对距离d1、d2、d3置为0，完成三台激光位移传感器初始位置定标。
6.根据权利要求5所述的球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法，其特征在于，步骤(1-6)中，坐标位置(a,b)计算方法如下：
Figure FDA0002984893240000031
Figure FDA0002984893240000032
7.根据权利要求1所述的球面或旋转对称非球面光学元件自动定心方法，其特征在于，步骤(5)和步骤(6)中，允许误差阈值Δd根据激光位移传感器的测量精度决定，设定的阈值大于激光位移传感器的测量精度。
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