本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種自由曲面光學(xué)元件的面形檢測(cè)系統(tǒng)和裝置。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)系統(tǒng)正朝著小體積、輕質(zhì)量、高性能、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。這些新特性就要求在光學(xué)系統(tǒng)中采用自由曲面光學(xué)元件，其能簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少光學(xué)元件數(shù)量，提供光學(xué)性能。因此，自由曲面光學(xué)元件在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越重要，其相應(yīng)的面形檢測(cè)技術(shù)也急需發(fā)展。

蘇州大學(xué)的仇谷烽等人(“一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面透鏡的檢測(cè)方法”，發(fā)明專(zhuān)利，授權(quán)公開(kāi)號(hào)：cn103558013b)提出了一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)自由曲面透鏡的檢測(cè)方法，其采用一個(gè)反射鏡讓經(jīng)過(guò)自由曲面透鏡的光線(xiàn)按照原路返回，實(shí)現(xiàn)對(duì)自由曲面的干涉檢測(cè)。該方法主要針對(duì)自由曲面透鏡，且對(duì)自由曲面的面型方程有一定的要求。而反射鏡的制造誤差會(huì)對(duì)自由曲面透鏡的檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響，且對(duì)自由曲面反射鏡的面形檢測(cè)無(wú)能無(wú)力。

中國(guó)航空工業(yè)第六一八研究所的任旭升等人(“自由曲面形貌三維測(cè)量方法及裝置”，發(fā)明專(zhuān)利，授權(quán)公開(kāi)號(hào)：cn104374334b)提出一種自由曲面形貌三維測(cè)量方法，該方法采用信號(hào)發(fā)生器、矩形光柵、變倍率鏡頭、全反射鏡、高速高清攝像機(jī)等元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)自由曲面面形的動(dòng)態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。該方法所需的元器件比較多，測(cè)量步驟比較繁瑣，且數(shù)據(jù)分析也比較復(fù)雜，這些都限制了該方法的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為自由曲面光學(xué)元件的面形檢測(cè)提供一種有效的方法。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供的技術(shù)解決方案是：

一種自由曲面光學(xué)元件的面形檢測(cè)裝置，包括高精度直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的z軸與x軸，還包括x軸端部固定設(shè)置的高精度的旋轉(zhuǎn)c軸，所述c軸的旋轉(zhuǎn)面切割x軸，其端部設(shè)置有真空吸盤(pán)；所述直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)z軸上設(shè)置有可在垂直方向調(diào)整的精密探針，該精密探針的端部與真空吸盤(pán)相對(duì)設(shè)置。

一種自由曲面光學(xué)元件的面形檢測(cè)方法，通過(guò)控制待測(cè)自由曲面的徑向方向的半徑、矢高以及角度，使精密探針沿著待測(cè)自由曲面表面作螺旋線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)同時(shí)，利用精密探針測(cè)量各個(gè)位置的實(shí)際矢高值，其與該位置理論矢高值的偏差便為該位置的面形誤差，如此，測(cè)量得到多個(gè)極坐標(biāo)位置點(diǎn)的面形誤差，然后再利用zernike多項(xiàng)式擬合，便可得到整個(gè)面的面形誤差分布。

該方法具體包括如下步驟：

1)將待測(cè)自由曲面的面型方程參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)中，轉(zhuǎn)換得到該自由曲面的極坐標(biāo)表示方式，并設(shè)定被測(cè)自由曲面幾何中心點(diǎn)的理論矢高為0；然后利用x軸控制半徑位置，用c軸控制角度位置，用z軸控制矢高值，三軸同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)得到的螺旋線(xiàn)與該自由曲面的面型曲線(xiàn)一致；

2)真空吸盤(pán)固定于高精度旋轉(zhuǎn)c軸上，且其中心與c軸旋轉(zhuǎn)中心重合；將被測(cè)自由曲面通過(guò)真空吸附于真空吸盤(pán)上，且其幾何中心重合于真空吸盤(pán)的中心；

3)調(diào)整探針高度與x軸位置，使精密探針的針尖與被測(cè)自由曲面的幾何中心重合；調(diào)整z軸，使精密探針與被測(cè)自由曲面幾何中心接觸，并記錄此時(shí)的讀數(shù)為

4)控制x軸、z軸和c軸的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，使精密探針沿待測(cè)自由曲面表面作螺旋線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄每個(gè)位置的值，包括r(半徑值)，theta(角度值)，(探針讀數(shù))，記錄格式為

5)數(shù)據(jù)處理，得到被測(cè)自由曲面整個(gè)面的面形分布情況。

精密探針的探測(cè)范圍為±2mm。

一種自由曲面光學(xué)元件的面形檢測(cè)方法，其數(shù)據(jù)處理方法為：通過(guò)x軸、z軸和c軸的三軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)，測(cè)量記錄得到多個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)矢高值將這些值減去被測(cè)自由曲面旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的精密探針讀數(shù)則可獲得被測(cè)自由曲面上每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)(r，theta)對(duì)應(yīng)的矢高值φ，即有：

φ(r，theta)為每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量真實(shí)矢高值，將其與理論矢高值相減，便可得到該點(diǎn)的面形誤差，即：

error(r,theta)＝φ(r,theta)-sag(r,theta)(2)

將計(jì)算得到每個(gè)點(diǎn)的面形誤差error(r，theta)利用zernike多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，其擬合公式如下：

zi為zernike多項(xiàng)式的基函數(shù)，對(duì)上式進(jìn)行反算，可以得到其擬合系數(shù)ai，再將該系數(shù)帶入zernike多項(xiàng)式中，便可以得到被測(cè)自由曲面整個(gè)面的面形分布情況。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)勢(shì)在于：

1.本發(fā)明為自由曲面的面形測(cè)量提供了一種采用螺旋線(xiàn)的采樣測(cè)量方法，該方法原理簡(jiǎn)單，可達(dá)到亞微米量級(jí)的測(cè)量精度，有效解決常規(guī)自由曲面面形難以測(cè)量的檢測(cè)難題；

2.本發(fā)明的方法具有簡(jiǎn)單的測(cè)量步驟和數(shù)據(jù)處理方法，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

3.根據(jù)本發(fā)明給出的裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作方便。

附圖說(shuō)明

圖1是測(cè)量裝置示意圖；

圖2是螺旋式采點(diǎn)測(cè)量示意圖；

圖3是本發(fā)明自由曲面面形檢測(cè)方法的流程圖；

在圖1中，1為x軸，2為z軸，3為c軸，4為真空吸盤(pán)，5為待測(cè)自由曲面，6為精密探針，7為計(jì)算機(jī)；

在圖2中，8為精密探針在自由曲面表面的運(yùn)動(dòng)螺旋線(xiàn)及采樣點(diǎn)示意圖；

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式結(jié)合圖1-圖3來(lái)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1，包括高精度直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的z軸1與x軸2，還包括x軸2端部固定設(shè)置的高精度的旋轉(zhuǎn)c軸3，所述c軸3的旋轉(zhuǎn)面切割x軸2，其端部設(shè)置有真空吸盤(pán)4；所述直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)z軸1上設(shè)置有可在垂直方向調(diào)整的精密探針6，該精密探針6的端部與真空吸盤(pán)4相對(duì)設(shè)置。

所說(shuō)x軸2與z軸1可以進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)；計(jì)算機(jī)可控制并實(shí)時(shí)記錄x軸2、z軸1、c軸3與精密探針6的精確位置與讀數(shù)；檢測(cè)時(shí)，將被測(cè)自由曲面5吸附固定于真空吸盤(pán)4上。

參見(jiàn)圖3，一種自由曲面光學(xué)元件的面形檢測(cè)方法，通過(guò)控制待測(cè)自由曲面5的徑向方向的半徑、矢高以及角度，使精密探針6沿著待測(cè)自由曲面5表面作螺旋線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)同時(shí)，利用精密探針6測(cè)量各個(gè)位置的實(shí)際矢高值，其與該位置理論矢高值的偏差便為該位置的面形誤差，如此，測(cè)量得到多個(gè)極坐標(biāo)位置點(diǎn)的面形誤差，然后再利用zernike多項(xiàng)式擬合，便可得到整個(gè)面的面形誤差分布。

依次包括下述步驟：

1)將被測(cè)自由曲面5的面型方程參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)中，轉(zhuǎn)換得到該自由曲面的極坐標(biāo)表示方式，即在任意位置(同時(shí)包括半徑位置與角度位置)，均能得到該位置對(duì)應(yīng)的理論矢高值sag(r，theta)，并設(shè)定被測(cè)自由曲面幾何中心點(diǎn)的理論矢高為0；然后利用x軸2控制半徑位置，用c軸3控制角度位置，用z軸1控制矢高值，三軸同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該自由曲面面型的螺旋曲線(xiàn)；

2)真空吸盤(pán)4固定于高精度旋轉(zhuǎn)c軸3上，且其中心與c軸3旋轉(zhuǎn)中心重合；將被測(cè)自由曲面5通過(guò)真空吸附于真空吸盤(pán)4上，且其幾何中心重合于真空吸盤(pán)的中心，這就保證了c軸3旋轉(zhuǎn)中心與被測(cè)自由曲面幾何中心的重合；

3)將精密探針6通過(guò)工裝固定于高精度直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸z軸1上，精密探針具有±2mm的探測(cè)范圍；通過(guò)調(diào)整探針高度與x軸2位置，使精密探針的針尖與被測(cè)自由曲面5的幾何中心重合；通過(guò)調(diào)整z軸，使精密探針與被測(cè)自由曲面幾何中心剛好接觸，并記錄此時(shí)的讀數(shù)為

4)通過(guò)計(jì)算機(jī)7使得x軸2、z軸1和c軸3同時(shí)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，使精密探針沿待測(cè)自由曲面表面作螺旋線(xiàn)運(yùn)動(dòng)8，參見(jiàn)圖2，z軸是垂直紙面向外的軸；計(jì)算機(jī)7實(shí)時(shí)記錄每個(gè)位置的值，包括r(半徑值)，theta(角度值)，(探針讀數(shù))，記錄格式為

5)將測(cè)量記錄得到多個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)矢高值減去被測(cè)自由曲面旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的精密探針讀數(shù)則可獲得被測(cè)自由曲面上每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)(r，theta)對(duì)應(yīng)的矢高值φ，即有：

φ(r，theta)為每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量真實(shí)矢高值，將其與理論矢高值相減，便可得到該點(diǎn)的面形誤差，即：

error(r,theta)＝φ(r,theta)-sag(r,theta)

將計(jì)算得到每個(gè)點(diǎn)的面形誤差error(r，theta)利用zernike多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，其擬合公式如下：

zi為zernike多項(xiàng)式的基函數(shù)，對(duì)上式進(jìn)行反算，可以得到其擬合系數(shù)ai，再將該系數(shù)帶入zernike多項(xiàng)式中，便可以得到被測(cè)自由曲面整個(gè)面的面形分布情況。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)的局部修改或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。