偏擺工件非球面的非接觸式測量系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種偏擺工件非球面的非接觸式測量系統(tǒng)，包括：非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭、輪廓儀升降調(diào)整機(jī)構(gòu)、精密三維位移臺(tái)、數(shù)顯傾角儀、二維偏擺臺(tái)、底座及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭固定在輪廓儀升降調(diào)整機(jī)構(gòu)上；精密三維位移臺(tái)固定于二維偏擺臺(tái)上，用于對被測件的承載和橫向移動(dòng)與定位；數(shù)顯傾角儀固定于二維偏擺臺(tái)上，用于測量二維偏擺臺(tái)的偏擺角度；二維偏擺臺(tái)固定于底座上，用于通過偏擺實(shí)現(xiàn)被測件的偏擺；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)經(jīng)與非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭、精密三維位移臺(tái)、數(shù)顯傾角儀數(shù)據(jù)連接，接收測量點(diǎn)面形數(shù)據(jù)、被測件的橫向位移數(shù)據(jù)及偏擺角度，進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)非球面面形恢復(fù)。本發(fā)明還涉及一種偏擺工件非球面的非接觸式測量方法。
【專利說明】偏擺工件非球面的非接觸式測量系統(tǒng)與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光干涉精密測量領(lǐng)域，具體而言涉及一種偏擺工件非球面的非接觸式測量系統(tǒng)與方法。

【背景技術(shù)】
[0002]非球面光學(xué)元件是表面形狀偏離球面的光學(xué)元件，比傳統(tǒng)平面、球面光學(xué)元件具有更大的自由度和靈活性，且形狀多樣，因而能有效地校正各種像差，改善像質(zhì)，并減少系統(tǒng)所需光學(xué)元件的數(shù)量，減小系統(tǒng)外形尺寸，減輕系統(tǒng)重量等。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)非球面由于其優(yōu)異的光學(xué)性能，在空間相機(jī)、大型望遠(yuǎn)鏡以及紅外導(dǎo)引等關(guān)鍵【技術(shù)領(lǐng)域】以及光電產(chǎn)品方面有著越來越重要的廣泛應(yīng)用。然而高精度高質(zhì)量的非球面加工和檢測技術(shù)一直是難點(diǎn)，特別是大口徑非球面由于其矢高的增加，產(chǎn)生了大測量范圍和測量精度之間的矛盾，加工和檢測技術(shù)成為制約非球面進(jìn)一步廣泛應(yīng)用的瓶頸。
[0003]傳統(tǒng)的非球面檢測方法包括接觸式和非接觸式兩種。
[0004]接觸式測量一般通過機(jī)械測量臂帶動(dòng)探頭對光學(xué)表面進(jìn)行掃描測量，比較具有代表性的是國防科技大學(xué)自主研發(fā)的擺臂式輪廓儀(例如賈立德，鄭子文，戴一帆，李圣怡.擺臂式非球面輪廓儀的原理與試驗(yàn)[J].光學(xué)精密工程，2007，15 (4):499-504)，然而接觸式測量采用單點(diǎn)掃描，效率較低，且探頭容易損傷元件表面。
[0005]全口徑干涉法是一種常用的非接觸式測量方式，其一般采用與待測件口徑相當(dāng)?shù)母缮鎯x，通過對分別來自參考鏡和測試鏡的兩支光束干涉形成的條紋解析得到測試鏡的面形信息，但是價(jià)格昂貴，且制作特定的補(bǔ)償透鏡較為困難(例如郭仁慧.近紅外大口徑波長移相干涉儀關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[D].南京理工大學(xué)2008)。此外，現(xiàn)有技術(shù)中還提出了另外一種非接觸式測量方法，通過測量一系列相互有重疊的子孔徑，拼接得到被測鏡的全口徑面形，但子孔徑拼接干涉法在拼接過程中容易產(chǎn)生累計(jì)誤差，影響測量精度(例如陳善勇.非球面子孔徑拼接干涉測量的幾何方法研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)2006)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種偏擺工件非球面的非接觸式測量系統(tǒng)與方法，旨在解決非球面檢測困難問題，且測量精度高，測量時(shí)無需參考面形，不損傷元件表面。
[0007]本發(fā)明的上述目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征實(shí)現(xiàn)，從屬權(quán)利要求以另選或有利的方式發(fā)展獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征。
[0008]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明的第一方面公開一種偏擺工件非球面的非接觸式測量系統(tǒng)，包括:非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭、輪廓儀升降調(diào)整機(jī)構(gòu)、精密三維位移臺(tái)、數(shù)顯傾角儀、二維偏擺臺(tái)、底座以及一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中:
[0009]所述非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭固定在輪廓儀升降調(diào)整機(jī)構(gòu)上；
[0010]所述精密三維位移臺(tái)固定于所述二維偏擺臺(tái)上，并用于實(shí)現(xiàn)對被測件的承載和對被測物的橫向移動(dòng)與定位；
[0011]所述數(shù)顯傾角儀固定于所述二維偏擺臺(tái)上，并用于測量二維偏擺臺(tái)的偏擺角度；
[0012]所述二維偏擺臺(tái)固定于所述底座上，并用于通過繞軸偏擺實(shí)現(xiàn)被測件的非球面被測點(diǎn)正對所述非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭；
[0013]所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)經(jīng)由一通信鏈路與所述非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭、精密三維位移臺(tái)、數(shù)顯傾角儀數(shù)據(jù)連接，分別接收測量點(diǎn)面形數(shù)據(jù)、被測件的橫向位移數(shù)據(jù)以及偏擺角度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)非球面的面形恢復(fù)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一目的，公開一種利用前述測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的偏擺工件非球面的非接觸式測量方法，包括以下步驟:
[0015]步驟1、將被測件放置于一精密三維位移臺(tái)上，調(diào)整非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭使其正對被測件的非球面旋轉(zhuǎn)對稱中心，測量頂點(diǎn)處面形；
[0016]步驟2、通過移動(dòng)所述精密三維位移臺(tái)使得被測件橫向移動(dòng)一定距離，調(diào)整二維偏擺臺(tái)，將被測件的非球面偏擺至合適位置使得非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭正對被測點(diǎn)，并通過數(shù)顯傾角儀測得偏擺角度，利用前述非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭測量該測量點(diǎn)的面形數(shù)據(jù)，并連同前述偏擺角度數(shù)據(jù)與橫向位移數(shù)據(jù)同時(shí)傳入所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；
[0017]步驟3、重復(fù)前述步驟2，以測量經(jīng)過所述非球面的旋轉(zhuǎn)對稱中心的一條截線上多個(gè)測量點(diǎn)的面形數(shù)據(jù)，其中每個(gè)測量點(diǎn)即為一個(gè)子孔徑，然后利用前述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對每個(gè)子孔徑的面形數(shù)據(jù)采用最小二乘球面擬合算法提取中心點(diǎn)處的曲率值C，該曲率值c為球面曲率半徑的倒數(shù)，由此可得到一組與所述橫坐標(biāo)相對應(yīng)的曲率值方程X~C ;
[0018]步驟4、對于每個(gè)同測量點(diǎn)，根據(jù)其相對于旋轉(zhuǎn)對稱中心的橫向平移距離以及在該測量點(diǎn)處的二維偏擺臺(tái)的偏擺角度，根據(jù)下述的坐標(biāo)補(bǔ)償模型進(jìn)行坐標(biāo)補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的與橫坐標(biāo)相對應(yīng)的曲率值X。~C:
[0019]令測量過程中被測件的每次橫向平移距離為t，則第η次測量時(shí)被測件的橫坐標(biāo)X并非nt，而是由下式?jīng)Q定的X。:
[0020]

【權(quán)利要求】
1.一種偏擺工件非球面的非接觸式測量系統(tǒng)，其特征在于，包括:非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭(I)、輪廓儀升降調(diào)整機(jī)構(gòu)(2)、精密三維位移臺(tái)(4)、數(shù)顯傾角儀(5)、二維偏擺臺(tái)(6)、底座(7)以及一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(8)，其中: 所述非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭(I)固定在輪廓儀升降調(diào)整機(jī)構(gòu)(2)上； 所述精密三維位移臺(tái)(4)固定于所述二維偏擺臺(tái)(6)上，并用于實(shí)現(xiàn)對被測件(3)的承載和對被測物(3)的橫向移動(dòng)與定位； 所述二維偏擺臺(tái)(6)固定于所述底座(7)上，并用于通過繞軸偏擺實(shí)現(xiàn)被測件(3)的非球面被測點(diǎn)正對所述非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭(I); 所述數(shù)顯傾角儀(5)固定于所述二維偏擺臺(tái)(6)上，并用于測量二維偏擺臺(tái)(6)的偏擺角度； 所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(8)經(jīng)由一通信鏈路(9)與所述非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭(I)、精密三維位移臺(tái)(4)、數(shù)顯傾角儀(5)數(shù)據(jù)連接，分別接收測量點(diǎn)面形數(shù)據(jù)、被測件(3)的橫向位移數(shù)據(jù)以及偏擺角度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)非球面的面形恢復(fù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏擺工件非球面的非接觸式測量系統(tǒng)，其特征在于，所述非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭(I)采用白光干涉顯微鏡veeco NT9100的光學(xué)探頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏擺工件非球面的非接觸式測量系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用如下算法實(shí)現(xiàn)非球面的面形恢復(fù):對所述被測件的非球面旋轉(zhuǎn)對稱中心的一條截線上多個(gè)測量點(diǎn)的面形數(shù)據(jù)，采用最小二乘球面擬合算法提取中心點(diǎn)處的曲率值C，該曲率值c為球面曲率半徑的倒數(shù)，由此可得到一組與橫坐標(biāo)X相對應(yīng)的曲率值方程X?c ; 令測量過程中被測件(3)的每次橫向平移距離為t，則第η次測量時(shí)被測件(3)的橫坐標(biāo)X并非nt，而是由下式?jīng)Q定的X。:
, 、 nt cos a — X f\X., X) = -- cos a + nt sin aj J csin a(I)
/'(義.，X ) — tan a 、I J cy 式中，fUyX。)為非球面方程，Γ (Ai, XC)為非球面方程f (λ p X。)的一階導(dǎo)數(shù)，α為第η次測量時(shí)二維偏擺臺(tái)(6)相對于其起始位置的總偏擺角度，XiS非球面系數(shù)； 由此可得到補(bǔ)償后的橫坐標(biāo)相對應(yīng)的曲率值方程X。?c ; 然后，在f (λ i，Xc)確定的前提下，根據(jù)一條截線上測量的不同測量點(diǎn)處的曲率值c與對應(yīng)的橫向坐標(biāo)值X。，通過最小二乘擬合，擬合出非球面系數(shù)Xi，從而實(shí)現(xiàn)被測件的非球面面形恢復(fù)。
4.一種利用前述權(quán)利要求1所述偏擺工件非球面的非接觸式測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的偏擺工件非球面的非接觸式測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、將被測件(3)放置于一精密三維位移臺(tái)(4)上，調(diào)整非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭(I)使其正對被測件的非球面旋轉(zhuǎn)對稱中心，測量頂點(diǎn)處面形； 步驟2、通過移動(dòng)所述精密三維位移臺(tái)(4)使得被測件(3)橫向移動(dòng)一定距離，調(diào)整二維偏擺臺(tái)￠)，將被測件(3)的非球面偏擺至合適位置使得非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭(I)正對被測點(diǎn)，并通過數(shù)顯傾角儀(5)測得偏擺角度，利用前述非接觸式光學(xué)輪廓儀探頭(I)測量該測量點(diǎn)的面形數(shù)據(jù)，并連同前述偏擺角度數(shù)據(jù)與橫向位移數(shù)據(jù)同時(shí)傳入所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)⑶； 步驟3、重復(fù)前述步驟2，以測量經(jīng)過所述非球面的旋轉(zhuǎn)對稱中心的一條截線上多個(gè)測量點(diǎn)的面形數(shù)據(jù)，其中每個(gè)測量點(diǎn)即為一個(gè)子孔徑，然后利用前述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對每個(gè)子孔徑的面形數(shù)據(jù)采用最小二乘球面擬合算法提取中心點(diǎn)處的曲率值C，該曲率值c為球面曲率半徑的倒數(shù)，由此可得到一組與所述橫坐標(biāo)相對應(yīng)的曲率值方程X~c ； 步驟4、對于每個(gè)同測量點(diǎn)，根據(jù)其相對于旋轉(zhuǎn)對稱中心的橫向平移距離以及在該測量點(diǎn)處的二維偏擺臺(tái)(6)的偏擺角度，根據(jù)下述的坐標(biāo)補(bǔ)償模型進(jìn)行坐標(biāo)補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的與橫坐標(biāo)相對應(yīng)的曲率值X。~c: 令測量過程中被測件(3)的每次橫向平移距離為t，則第η次測量時(shí)被測件(3)的橫坐標(biāo)X并非nt，而是由下式?jīng)Q定的X。:
式中，fUyX。)為非球面方程， (Ai, Xc)為非球面方程f (λ p X。)的一階導(dǎo)數(shù)，α為第η次測量時(shí)二維偏擺臺(tái)(6)相對于其起始位置的總偏擺角度，XiS非球面系數(shù)；由此可得到補(bǔ)償后的橫坐標(biāo)相對應(yīng)的曲率值方程X。~c ;以及步驟5、在非球面方 程f( λ y Xc)確定的前提下，根據(jù)一條截線上測量的不同測量點(diǎn)處的曲率值c與對應(yīng)的橫向坐標(biāo)值X。，通過最小二乘擬合，擬合出非球面系數(shù)λ i，從而實(shí)現(xiàn)被測件的非球面面形恢復(fù)。
【文檔編號】G01B11/24GK104165599SQ201410413452
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】陳磊, 鄭權(quán), 周舒, 韓志剛 申請人:南京理工大學(xué)