本發(fā)明屬于光學(xué)精密測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大口徑精密非球面檢測裝置及方法，可用于精密光學(xué)系統(tǒng)中大型高精度非球面元件面形輪廓的高精度檢測。

技術(shù)背景

大型高精度非球面光學(xué)元件，在航天相機、天文望遠鏡等精密光學(xué)系統(tǒng)中起著極其重要的作用。在非球面加工中，為了滿足非球面的面形和粗糙度的設(shè)計要求，其一般采用加工-檢測-再加工-再檢測等制造工藝，在某種程度上，獲得高精度非球面元件的關(guān)鍵在于能否提供可靠的、行之有效的檢測技術(shù)來指導(dǎo)加工，尤其是在大口徑光學(xué)非球面的銑磨和研拋階段，非球面面形的高精度測量是決定面形收斂精度以及收斂速度的關(guān)鍵。目前，非球面的高精度檢測已經(jīng)成為高精度非球面光學(xué)元件制造中所面臨的最大問題。

目前，常用的主要測量方法有接觸式探針掃描法、光學(xué)探針掃描法和光學(xué)干涉法，其中接觸式掃描測量法主要應(yīng)用于大型球面非球面鏡在研磨加工階段時的檢測，光學(xué)非接觸式掃描法和光學(xué)干涉法由于其非接觸測量的特點，應(yīng)用于研磨后期及拋光階段，特別適合于經(jīng)最終成型處理后鏡面的檢測。

光學(xué)干涉法包括零位干涉法和非零干涉法，主要包括無像差點法、零補償鏡方法、計算全息法、剪切干涉法、子孔徑拼接法等。零位干涉法是通過設(shè)計補償器的結(jié)構(gòu)與位置來完全補償被測非球面理論形狀的法線像差，實現(xiàn)面形誤差的零位檢測。該方法檢測精度高、可靠性強，是目前非球面面形檢測的參照基準。但是，零位檢測法需要設(shè)計與被測非球面相匹配的輔助元件，不具有通用性，因而檢測成本較高，測量周期較長，尤其對大口徑凸非球面檢測時成本更高。而且，該方法還存在系統(tǒng)的裝調(diào)精度要求較高、補償鏡的設(shè)計和裝調(diào)以及高精度檢測困難、計算全息板線紋頻率過大引入中高頻誤差且難以制作等問題。

非零干涉法在檢測非球面時不需要完全補償被測面的全部法線像差，但檢測系統(tǒng)存在固有回程誤差，干涉圖樣不直接反映被測面的面形誤差信息。

探針掃描法通常是直接測試被測面形以獲得各采樣點的三維信息，再通過分析、擬合和重建實現(xiàn)非球面面形誤差的測量，其原理簡單直觀，不需要輔助裝置和元件，儀器標定后即可建立測量坐標系，還可以同時測得非球面頂點球的曲率半徑。該方法適用于任意口徑非球面元件的面形檢測，其缺點是采用單點掃描、效率較低，由于探頭所基于的測量原理，其響應(yīng)速度有限，測量時間較長，環(huán)境條件的變化會引入測量誤差，面形測量精度受限。

目前，現(xiàn)有的非球面輪廓測量儀的測量精度主要受制于主軸回轉(zhuǎn)精度、直線導(dǎo)軌精度、基準間位置誤差和傳感技術(shù)等，沒有充分利用到空間基準運動誤差的可補償性。

針對上述問題，本發(fā)明提出可自主分離和補償基準運動誤差的精密非球面輪廓掃描測量裝置與方法，采用回轉(zhuǎn)—直線基準共基面的開放式輪廓儀結(jié)構(gòu)原理，實現(xiàn)大口徑(直徑Ф400mm以上)非球面輪廓的高精度快速測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提高大型精密非球面輪廓的檢測精度和效率，提出了一種大口徑非球面元件輪廓高精度檢測裝置與方法。

本發(fā)明基于我們發(fā)明的空間回轉(zhuǎn)誤差單轉(zhuǎn)位分離技術(shù)、直線/回轉(zhuǎn)基準技術(shù)以及基準間誤差分離技術(shù)等，實現(xiàn)了基于精密氣浮回轉(zhuǎn)中心的大口徑非球面元件輪廓的高精度檢測。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。

本發(fā)明的大口徑非球面輪廓加工檢測裝置，采用回轉(zhuǎn)—直線基準共基面的開放式輪廓儀結(jié)構(gòu)，包括基座、精密直線氣浮導(dǎo)軌、精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺、導(dǎo)軌直線運動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)、氣浮工作臺調(diào)整系統(tǒng)、傳感測量系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)。

其中，精密直線氣浮導(dǎo)軌、精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺、導(dǎo)軌直線運動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)固定在基座上，精密氣浮導(dǎo)軌直線運動位于精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺一側(cè)的下方；導(dǎo)軌直線運動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)與精密直線氣浮導(dǎo)軌平行放置，其直線運動誤差探測模塊與傳感測量系統(tǒng)固結(jié)在一起；傳感測量系統(tǒng)固定在和精密直線氣浮導(dǎo)軌的軸套相連的橫向測量臂上，并可隨軸套沿精密直線氣浮導(dǎo)軌的軸向方向作一維直線掃描運動，運動過程中傳感測量系統(tǒng)的軸向方向與精密直線氣浮導(dǎo)軌的運動方向垂直。

本發(fā)明的大口徑非球面輪廓高精度檢測方法，包括利用精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺調(diào)整的被測非球面的位姿，利用精密直線氣浮導(dǎo)軌帶動傳感測量系統(tǒng)沿被測非球面中心的母線方向進行掃描測量，同時利用導(dǎo)軌直線運動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)分離、補償精密直線氣浮導(dǎo)軌的直線運動誤差，實現(xiàn)納米級的直線掃描運動，得到被測母線的輪廓；然后，計算機利用測量控制系統(tǒng)控制精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)動不同的角度，通過傳感測量系統(tǒng)得到被測非球面的多條母線的輪廓值；最后，由多條母線輪廓擬合出被測非球面的整體面形輪廓，實現(xiàn)被測非球面輪廓的高精度檢測。

本發(fā)明的大口徑非球面輪廓高精度檢測方法，實現(xiàn)被測非球面輪廓的高精度測試的特征包括以下步驟：

步驟一：驅(qū)動精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺進行回轉(zhuǎn)運動，利用傳感測量系統(tǒng)對精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺的工作表面輪廓進行測量，得到精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺的位姿參數(shù)，依據(jù)該位姿參數(shù)驅(qū)動氣浮工作臺調(diào)整系統(tǒng)使精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺的工作臺面無傾斜；

步驟二：將被測非球面置于精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺上，計算機通過測量控制系統(tǒng)驅(qū)動精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺進行回轉(zhuǎn)運動，由固定在和精密直線氣浮導(dǎo)軌的軸套相連的垂直測量臂上的徑向傳感系統(tǒng)對被測非球面的徑向輪廓進行檢測，依據(jù)測量結(jié)果調(diào)整被測非球面位置使其與精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺同軸放置；

步驟三：精密直線氣浮導(dǎo)軌沿被測非球面的母線方向作一維掃描運動，同時帶動傳感測量系統(tǒng)沿被測非球面母線方向進行一維輪廓掃描測量，測得被測非球面在此母線方向上的輪廓信息；精密直線氣浮導(dǎo)軌在一維直線掃描運動過程中，其直線運動誤差由導(dǎo)軌直線運動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測、補償；

步驟四：計算機依據(jù)規(guī)劃的掃描路徑控制精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)一個角度，重復(fù)步驟三，再次測量得到被測非球面一條母線的輪廓信息；

步驟五：重復(fù)測量步驟三和步驟四，直至完成被測非球面的整體輪廓掃描，由多條母線輪廓擬合出被測非球面的整體面形輪廓，實現(xiàn)被測非球面的高精度輪廓測量。

有益效果

本發(fā)明對比已有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點：

1)回轉(zhuǎn)—直線基準系統(tǒng)共基面設(shè)計以及測量架的折轉(zhuǎn)設(shè)計，最大限度地減小了儀器阿貝誤差，使測量導(dǎo)軌的運動精度得以最大程度地發(fā)揮；

2)開放式的非龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于大口徑非球面元件加工口徑的擴展、檢測系統(tǒng)的融合以及工件的搬運與裝調(diào)，大型元件口徑大小主要由基準導(dǎo)軌的運動范圍確定；

3)直線氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)運動誤差激光檢測系統(tǒng)的采用便于米級大口徑非球面元件的加工和檢測。

本發(fā)明特點：

1.采用開放式非龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計，將系統(tǒng)中的直線運動導(dǎo)軌直接放在工作臺上，傳感器與導(dǎo)軌相連，使得系統(tǒng)運動幅最短、測量過程中變形小，可提高大口徑非球面元件的檢測精度；

2.采用高精度氣浮直線技術(shù)，消除了因廢氣的排放所產(chǎn)生的氣體擾動對測量環(huán)境的影響，可顯著提高測量系統(tǒng)的測量精度；

3.采用高精度氣浮回轉(zhuǎn)技術(shù)，提高了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度，可顯著提高測量系統(tǒng)的測量精度；

4.采用基于空氣靜壓軸承技術(shù)的偏心調(diào)整工作臺，實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度調(diào)傾、調(diào)心，可顯著提高測量系統(tǒng)的測量精度；

5.采用高精度激光直線基準技術(shù)，保證了系統(tǒng)直線運動精度，可提高系統(tǒng)測量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明大口徑非球面元件輪廓檢測裝置及其方法示意圖；

圖2為本發(fā)明大口徑非球面元件輪廓檢測方法基于順序掃描原理的掃描路徑示意圖；

圖3a)為本發(fā)明大口徑非球面元件輪廓檢測裝置實施示意圖；

圖3b)為本發(fā)明大口徑非球面元件輪廓檢測裝置的計算機控制連接示意圖；

其中：1-基座、2-精密直線氣浮導(dǎo)軌、3-精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺、4-導(dǎo)軌直線運動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)、5-傳感測量系統(tǒng)、6-直線運動誤差探測模塊、7-測量控制系統(tǒng)、8-軸套、9-橫向測量臂、10-非球面鏡、11-氣浮工作臺調(diào)整系統(tǒng)、12-計算機、13-垂直測量臂、14-徑向傳感系統(tǒng)，15-母線方向。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明的基本思想是：采用回轉(zhuǎn)—直線基準系統(tǒng)共基面設(shè)計以及測量架的折轉(zhuǎn)設(shè)計以及開放式的非龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小儀器阿貝誤差，最大限度的發(fā)揮了精密直線氣浮導(dǎo)軌的運動精度，利用與精密直線氣浮導(dǎo)軌同步運動的傳感測量系統(tǒng)對被測非球面的一條母線輪廓參數(shù)直接進行測量；利用精密氣浮回轉(zhuǎn)技術(shù)，實現(xiàn)被測非球面多條母線輪廓的測量，利用擬合得到整個非球面面形的輪廓參數(shù)，實現(xiàn)了大口徑非球面輪廓的高精度快速檢測。

實施例1

如圖1和圖2所示，大口徑非球面元件輪廓加工檢測方法，檢測步驟如下：

被測非球面10放置在精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3上，傳感測量系統(tǒng)5固定在和精密直線氣浮導(dǎo)軌2的軸套8相連的橫向測量臂9上，并可隨軸套8作一維直線掃描運動，測量過程中要保證傳感測量系統(tǒng)5與精密直線氣浮導(dǎo)軌2的運動方向垂直，傳感測量系統(tǒng)5沿著被測非球面10母線方向15進行一維掃描直線運動，同時利用導(dǎo)軌直線運動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)4對精密直線氣浮導(dǎo)軌2的直線運動誤差進行監(jiān)測、分離、補償，實現(xiàn)納米級的直線掃描運動，實現(xiàn)沿一條母線方向上的輪廓測量。

如圖2所示，沿母線方向15，利用傳感測量系統(tǒng)5對被測非球面10進行掃描測量，可測得一條母線上的N個輪廓測量數(shù)據(jù)。

計算機12通過控制系統(tǒng)7控制精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3旋轉(zhuǎn)一個角度，重復(fù)上述掃描測量過程，即可測量得到多條母線的輪廓數(shù)據(jù)。

依據(jù)輪廓測量數(shù)據(jù)進行擬合處理，可得到被測非球面10的整體面形輪廓，實現(xiàn)被測非球面10的高精度輪廓測量。

實施例2

結(jié)合圖1和圖3所示，大口徑非球面加工檢測裝置主要由基座1、精密直線氣浮導(dǎo)軌2、精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3、導(dǎo)軌直線運動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)4、氣浮工作臺調(diào)整系統(tǒng)11、測量傳感系統(tǒng)5、控制系統(tǒng)7、計算機12等構(gòu)成，精密直線氣浮導(dǎo)軌2、導(dǎo)軌直線運動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)4均固定在基座1上，且分布在精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3周圍。其中，傳感測量系統(tǒng)5固定在和精密直線氣浮導(dǎo)軌2的軸套8相連的橫向測量臂9上，并可隨軸套8沿精密直線氣浮導(dǎo)軌2軸向方向作一維直線掃描運動；徑向傳感系統(tǒng)14固定在和精密直線氣浮導(dǎo)軌2的軸套8相連的垂直測量臂13上，且其測量方向與被測非球面10徑向方向一致；精密直線氣浮導(dǎo)軌2位于精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3一側(cè)的下方；導(dǎo)軌直線運動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)4放置在精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3的軸線方向，且與精密直線氣浮導(dǎo)軌2平行放置，導(dǎo)軌直線運動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)4的直線運動誤差探測模塊6與傳感測量系統(tǒng)5一起固結(jié)在橫向測量臂9上；計算機12通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)大口徑非球面檢測裝置中的測量、調(diào)整、掃描功能。

被測非球面10的檢測過程如下：

1)計算機12通過測量控制系統(tǒng)7驅(qū)動精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3進行回轉(zhuǎn)運動，利用傳感測量系統(tǒng)5測得精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3的表面輪廓參數(shù)，計算機12對其進行分析，得到精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3的位姿參數(shù)，由氣浮工作臺調(diào)整系統(tǒng)11依據(jù)該位姿參數(shù)進行調(diào)整，消除精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3的傾斜；

2)將被測非球面10置于精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3上，測量控制系統(tǒng)7控制精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3進行勻速旋轉(zhuǎn)，由徑向傳感系統(tǒng)14對被測非球面10的徑向輪廓進行監(jiān)測，計算機12依據(jù)徑向傳感系統(tǒng)14的測量結(jié)果對被測非球面10放置偏心進行調(diào)整，使被測非球面10與精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3同軸；

3)驅(qū)動精密直線氣浮導(dǎo)軌2作一維掃描運動，傳感測量系統(tǒng)5隨其同步運動，對被測非球面10沿母線方向15進行一維掃描，測得被測非球面10沿母線方向15上的面形輪廓；精密直線氣浮導(dǎo)軌2在一維掃描運動過程中，其直線度由導(dǎo)軌直線運動誤差激光監(jiān)測系統(tǒng)4監(jiān)測，通過直線運動誤差分離、補償，實現(xiàn)納米級的直線掃描運動；

4)計算機12控制精密氣浮回轉(zhuǎn)工作臺3旋轉(zhuǎn)一個設(shè)定角度，重復(fù)步驟3，得到被測非球面10母線方向上的輪廓數(shù)據(jù)；

5)重復(fù)步驟4，可獲得被測非球面10沿多條母線方向上的輪廓測量數(shù)據(jù)；

6)計算機12依據(jù)測得的多條母線方向上的輪廓數(shù)據(jù)進行擬合，得到被測非球面10的完整面形輪廓，實現(xiàn)了大口徑被測非球面面形輪廓的高精度測量。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動都是本發(fā)明的保護范圍。